RNA-Sprays als neuer Ansatz im Pflanzenschutz

RNAs können so konstruiert werden, dass sie wichtige Gene in Schädlingen ausschalten. Auf Nutzpflanzen gesprüht, haben sie das Potenzial, diese vor Schädlingen zu schützen.

Nutzpflanzen werden von einer Vielzahl von Krankheiten und Schädlingen bedroht. Zum Schutz der Pflanzen werden deshalb grosse Mengen an synthetischen Pflanzenschutzmitteln auf die Felder gesprüht. Deren Einsatz ruft jedoch oft unerwünschte Nebenwirkungen hervor: Unter Umständen halten sie nicht nur Fressfeinde der Pflanzen fern, sondern schaden auch nützlichen Insekten. Auch drohen die Chemikalien letztlich in die Bäche und ins Grundwasser zu gelangen und dadurch die Umwelt nachhaltig zu schädigen.

Eine Alternative zu konventionellen Pflanzenschutzmitteln sind nicht-kodierende RNAs, die auf die Nutzpflanzen aufgesprüht werden können. Zum Einsatz kommen dabei RNAs, die lebenswichtige Gene im Schädling herunterregulieren und diesen dadurch schwächen oder gar töten können. Grundsätzlich wäre ein solches Pflanzenschutzmittel für die Umwelt schonend, weil die eingesetzte RNA gezielt auf das Erbgut des Schadorganismus abgestimmt werden könnte. Da sich RNA rasch abbaut, ist es auch unwahrscheinlich, dass sie langfristig in der Umwelt bleibt.

Im Labor und in ersten Feldversuchen konnte die Tauglichkeit des Ansatzes grundsätzlich nachgewiesen werden. Allerdings wirkten die RNAs nicht auf alle Insektenarten gleich stark. In Versuchen reagierten einige Schaben und Termiten, Heuschrecken und die Käfer deutlich auf die Aufnahme von RNA. Bei Schmetterlingen und Motten sowie bei Fliegen war der Effekt merklich schwächer oder blieb ganz aus.

Wie effektiv RNAs bei verschiedenen Insektenarten wirken, hängt von zahlreichen Einflussgrössen ab. Die Stabilität der RNA bzw. die Geschwindigkeit, mit der sie im Insekt von Nukleasen abgebaut wird, spielt eine Rolle. Ausserdem können sich RNAs bei bestimmten Insekten im ganzen Körper verbreiten, während sie bei anderen lokalisiert bleiben. Wird, wie im Fall der Blattläuse, die RNA direkt von der Mutter an die Larve weitergegeben, kann sie sogar während mehreren Generationen erhalten bleiben.

Zudem muss das Aufbringen der Sprays auf die unterschiedlichen Ernährungsweisen der Schädlinge abgestimmt sein. RNA-Wirkstoffe gegen blattfressende Insekten wie den Kartoffelkäfer müssen gut an der Oberfläche der Pflanze haften und gegen Umweltbedingungen besonders stabil sein. Wenn es hingegen um die Bekämpfung saugend-stechender Insekten geht, müssen die RNAs ins Blattinnere aufgenommen werden. Auch das direkte Aufsprühen auf Schadinsekten ist möglich – eine Methode, die sich vor allem für Arten eignet, die andere Lebewesen parasitieren. Allerdings darf dafür die Haut des Schädlings nicht zu dick sein.

Bei der Bekämpfung von Pilzbefall an Pflanzen hat sich die Methode im Labor als effektiv erwiesen. Ob RNAs sich allerdings auch dazu eignen, bakterielle Pflanzenkrankheiten wirkungsvoll zu bekämpfen, steht derzeit noch nicht fest.

Im Feldversuch wurde bereits ein RNA-Insektizid gegen den Kartoffelkäfer geprüft. Die tödliche Wirkung des RNA-Sprays auf die Käferlarven war vergleichbar mit der von herkömmlichen Insektiziden. Dieses Mittel namens «Ledprona» von Greenlight Biosciences erhielt im Dezember 2023 eine vorläufige Zulassung in den USA.

Ein weiteres Produkt derselben Firma wird aktuell in den USA von der entsprechenden Zulassungsbehörde evaluiert: Es handelt sich um einen Wirkstoff gegen die Milbe Varroa destructor, welche die Larven der Honigbiene befällt. Indem die Milbe die Bienen schwächt und Krankheiten überträgt, schädigt sie die Bienenvölker stark. Der RNA-Wirkstoff wird in einem Sirup verabreicht und von den Bienen zu den Brutzellen gebracht, wo er gegen die Milben wirkt.

Andere Farben, veränderte Reifung

Bei Pflanzen können RNAs die Proteinerzeugung nicht nur nach der Transkription regulieren, sondern bereits vorher. Dabei werden der Pflanzen-DNA Methylgruppen (d. h. einfachste Atomanordnungen von einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoff-Atomen) angefügt. Dieser Prozess heisst RNA-vermittelte DNA-Methylierung. Gene, die sich in der betroffenen Region befinden, werden dadurch seltener transkribiert. Dieser Effekt könnte verwendet werden, um bestimmte Gene zu unterdrücken, ohne dabei die DNA-Sequenz zu verändern.

Mittels DNA-Methylierung konnten bis jetzt allerdings erst die Fruchtreifung von Tomaten und durch Zufall die Blütenfarbe von Petunien verändert werden. Marktreife Anwendungen des Ansatzes sind noch nicht in Sicht.

Auswirkungen auf die Umwelt

Vor der Zulassung von RNA-basierten Pflanzenschutzmitteln müssen Fragen zur Wirkung von RNA in der Umwelt bzw. auf andere Lebewesen geklärt werden: Ist es vorstellbar, dass Schädlinge, die RNA-Sprays ausgesetzt sind, Resistenzen entwickeln? Und wie könnte sich ein solches Sprühmittel auf andere Organismen auswirken, auf die es gar nicht abzielt? Solche Fragen sind nicht ohne Weiteres zu beantworten.

Was die Auswirkung von RNAs auf Lebewesen betrifft, die nicht durch die Bekämpfungsmassnahmen anvisiert werden, erweist es sich als vorteilhaft, dass unbehandelte RNA in der Umwelt generell schnell abgebaut wird. Auf lehmigen Böden ist sie nach zwei Tagen nicht mehr nachweisbar. Auf Kartoffelblätter aufgesprühte RNA blieb aber mindestens vier Wochen aktiv. Behandlungen, die darauf abzielen, die Stabilität von RNA zu erhöhen, verlängern tendenziell deren Haltbarkeit in der Umwelt.

Bei Insekten, die zwar nicht Ziel des RNA-Sprays sind, die aber ähnliche Gensequenzen aufweisen wie der Zielorganismus, könnte es zu einer ungewollten Stilllegung der Genexpression kommen. Diese Gefahr kann dadurch reduziert werden, dass man mittels bioinformatischer Methoden Sequenzen auswählt, die nur im Zielorganismus vorkommen.