Von Prof. Dr. Aline Koch, Institut für Pflanzenwissenschaften, Universität Regensburg

Die Landwirtschaft steht weltweit vor der Herausforderung, den Pflanzenschutz neu zu gestalten. Klimawandel, Resistenzbildung und die Notwendigkeit nachhaltiger Praktiken erfordern Alternativen zu herkömmlichen Pestiziden. Gleichzeitig erhöhen der Verlust an Biodiversität und ein wachsendes gesellschaftliches Bewusstsein für die Umweltauswirkungen von chemisch-synthetischen Pflanzenschutzmitteln den Druck auf die Landwirtschaft. Hinzu kommt, dass immer mehr wissenschaftliche Studien darauf hinweisen, dass diese Pestizide Bestäuber und andere Nichtzielorganismen schädigen, Bodenmikroben beeinträchtigen und sich durch Anreicherung in Ökosystemen negativ auf die Nahrungsketten auswirken können. Vor diesem Hintergrund gewinnen selektiverer und umweltverträglichere Lösungen zunehmend an Bedeutung. Eine vielversprechende Alternative sind RNA-basierte Pflanzenschutzmittel, die über den natürlichen Mechanismus der RNA-Interferenz (RNAi) wirken. RNAi ermöglicht die gezielte Kontrolle der Genexpression und kann spezifisch Schaderreger bekämpfen, ohne Nicht-Zielorganismen zu beeinträchtigen. Damit eröffnet sich das Potenzial für eine präzise, umweltfreundliche und nachhaltige Schädlingsbekämpfung, die sowohl den Anforderungen einer produktiven Landwirtschaft als auch den Zielen des Biodiversitätsschutzes gerecht wird.

RNA-Interferenz: Der Mechanismus im Detail

Die RNAi-Technologie basiert auf einem evolutionär konservierten zellulären Prozess, der in fast allen Lebewesen vorkommt und eine zentrale Rolle bei der Genregulation spielt. Dieser Mechanismus wird aktiviert, indem doppelsträngige RNA (dsRNA) in eine Zielzelle eingebracht wird: Die dsRNA wird zu kleinen siRNAs (small interfering RNAs) prozessiert, die an komplementäre mRNA-Moleküle binden und deren Proteinproduktion blockieren (Link Erklärvideo zum Wirkmechanismus: https://vimeo.com/ 1010864664). Durch diesen gezielten Eingriff können einzelne Schädlinge oder Krankheitserreger gezielt bekämpft werden, ohne andere Organismen zu beeinträchtigen, was die Biodiversität schützt und das Risiko für Nicht-Zielorganismen reduziert. Ein weiterer Vorteil ist der schnelle Abbau der RNA-Moleküle in der Umwelt, wodurch Rückstände und langfristige Umweltbelastungen minimiert werden. Darüber hinaus verringert die RNAi-Technologie das Risiko von Resistenzen, da RNA-Wirkstoffe spezifisch auf einzelne Gene abzielen und verschiedene Zielgene kombiniert werden können. Außerdem bietet die Technologie Flexibilität bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe, da RNA-Sequenzen leicht an neue Zielorganismen oder mutierte Krankheitserreger angepasst werden können. Damit bietet RNAi nicht nur eine vielversprechende Alternative zur Reduktion chemischer Pflanzenschutzmittel, sondern hat auch das Potenzial, sich als Schlüsseltechnologie für eine zukunftsorientierte, nachhaltige Landwirtschaft zu etablieren.

Anwendungsgebiete und Zulassungen

Die RNAi-Technologie wird intensiv als selektive Pflanzenschutzstrategie erforscht, insbesondere zur Bekämpfung von Insekten, Viren, Pilzen und Nematoden. Insbesondere in Form des Spray-Induced Gene Silencing (SIGS oder RNA Spray). Diese Technik ermöglicht es, RNA-Sprays direkt auf Pflanzen zu applizieren, wodurch die Notwendigkeit gentechnischer Modifikationen entfällt. SIGS hat sich unter anderem bei der Bekämpfung pilzlicher Krankheitserreger bewährt, da viele Pilze die Fähigkeit besitzen, exogen applizierte dsRNA aufzunehmen und in ihrem RNAi-System zu prozessieren. Dadurch können spezifische Gene in den Krankheitserregern effektiv stillgelegt und deren Wachstum gehemmt werden.

Die erste Studie zum Einsatz von SIGS ist die Bekämpfung des nekrotrophen Pilzes Fusarium graminearum, einem häufigen Erreger von Getreidekrankheiten. Studien zeigten, dass der direkte Kontakt mit dsRNA-Wirkstoffen die Vitalität dieses Pilzes deutlich reduziert. Da nekrotrophe Pilze abgestorbene Pflanzenteile besiedeln, können sie die auf die Pflanzenoberfläche aufgebrachte dsRNA effektiv aufnehmen und in ihren Zellen verarbeiten.

Darüber hinaus hat die Entwicklung kostengünstiger dsRNA-Herstellungsmethoden die Attraktivität von RNA-Sprays erhöht und deren Einsatz in der Landwirtschaft ermöglicht. Freilandversuche haben in den letzten Jahren gezeigt, dass RNAi-basierte Wirkstoffe unter geeigneten Bedingungen eine hohe Wirksamkeit entfalten können. Ein herausragendes Beispiel ist das RNAi-basierte Pflanzenschutzmittel „Calantha“ (dsRNA-Wirkstoff Ledprona), das 2023 in den USA zur Bekämpfung des Kartoffelkäfers (Leptinotarsa decemlineata) zugelassen wurde. Diese Zulassung ist ein wichtiger Meilenstein und zeigt, dass die Technologie marktreif ist und das Potenzial hat, in Zukunft eine wichtige Rolle im Pflanzenschutz zu spielen.

„Calantha“ wirkt, indem es das Protein PSMB5 (Proteasome Subunit Beta 5) im Kartoffelkäfer hemmt, was zur Anhäufung fehlerhafter Proteine und schließlich zum Tod des Schädlings führt. Die Anwendung in Freilandversuchen zeigte, dass „Calantha“ eine ähnliche Wirksamkeit wie das herkömmliche Insektizid Spinosad aufweist, jedoch mit einer zehnmal geringeren Aufwandmenge auskommt. In den Versuchen konnte der Blattverlust auf unter 5 % reduziert und eine Mortalitätsrate von über 99 % bei den großen Kartoffelkäferlarven erreicht werden (DLG, Koch 2023). Der Zulassungsprozess für „Calantha“ umfasste umfangreiche Prüfungen durch die Environmental Protection Agency (EPA), die neben der Umweltverträglichkeit auch mögliche Risiken für Mensch und Tier bewertete. Die EPA stellte fest, dass das RNAi-Produkt bei Einhaltung der vorgeschriebenen Anwendungsrichtlinien sicher für die Umwelt und Nicht-Zielorganismen ist, da die spezifische Wirkungsweise von „Calantha“ hauptsächlich den Kartoffelkäfer und eng verwandte Käferarten betrifft. Diese gezielte Wirkung hat den Vorteil, dass Bestäuber und andere Nützlinge geschont werden und gleichzeitig resistente Kartoffelkäferpopulationen bekämpft werden können.

Die erfolgreiche Zulassung von „Calantha“ in den USA gibt der RNAi-Technologie im Pflanzenschutz weiteren Auftrieb. Neue Feldversuche in den USA sollen weitere Daten zur Wirksamkeit und Langzeitstabilität von „Calantha“ unter verschiedenen Umweltbedingungen liefern, um die Effizienz des Wirkstoffs weiter zu optimieren. Die positiven Ergebnisse und die im Vergleich zu herkömmlichen Insektiziden geringeren Aufwandmengen fördern die Entwicklung weiterer RNAi-basierter Produkte gegen weitere Schädlinge.

Studien zeigen jedoch auch, dass verschiedene Insektenarten unterschiedlich auf RNAi-basierte Produkte reagieren. Der Kartoffelkäfer ist beispielsweise sehr empfindlich gegenüber RNAi-Anwendungen, weshalb er als erster Zielorganismus für eine RNAi-basierte Lösung ausgewählt wurde. Andere Schädlinge, vor allem aus anderen Insektenordnungen wie den Lepidoptera (Schmetterlingen), reagieren weniger empfindlich auf RNAi, da ihre Verdauungsenzyme RNA-Moleküle schneller abbauen (Koch und Petschenka 2022; Koch 2024, Agrarheute).

Diese Herausforderung verdeutlicht die Notwendigkeit, der Entwicklung von geeigneten RNA-Formulierungen sowie anderer RNA-Spezies wie zirkuläre RNA (circRNA) als neue und zusätzliche Wirkstoffklassen zu entwickeln, die unabhängig von klassischen RNAi-Mechanismen wirken. CircRNA ist aufgrund ihrer stabileren Struktur weniger anfällig für Abbauprozesse und könnte so eine länger anhaltende Wirkung in der Umwelt und in Pflanzen gewährleisten. Die Kombination von dsRNA und circRNA in einer Formulierung könnte die Wirksamkeit von RNA-basierten Pflanzenschutzmitteln erhöhen und ihre Anwendbarkeit auf schwer zu kontrollierende Schädlinge erweitern.

Darüber hinaus spielt die Stabilisierung von RNAi-Wirkstoffen eine zentrale Rolle, um die Wirksamkeit und Umweltverträglichkeit dieser Produkte zu gewährleisten. Eine geeignete Formulierung, z. B. durch Verkapselung oder in Mikrogelen, könnte die RNA vor Umwelteinflüssen wie UV-Strahlung oder Regen schützen und so eine längere Wirkdauer ermöglichen (Koch und Petschenka 2022).

Stand der Forschung und Herausforderungen

Trotz dieser Vorteile gibt es immer noch Herausforderungen bei der breiten Anwendung von RNA Sprays im Feld. Die Stabilität der dsRNA unter Umweltbedingungen wie UV-Strahlung und Regen beeinflusst die Wirksamkeit der Behandlung und erfordert eine kontinuierliche Forschung nach verbesserten Formulierungen, die eine längere Haltbarkeit und höhere Effizienz gewährleisten. Außerdem variiert die Aufnahmefähigkeit von dsRNA je nach Schaderreger und dessen Lebensweise (z.B. kauend-beißend versus stechend-saugende Schadinsekten), was bei der Entwicklung neuer RNA-Sprays berücksichtigt werden muss.

Aktuelle Forschungsansätze zur Optimierung von RNA-basierten Pflanzenschutzmitteln konzentrieren sich auf mehrere zentrale Herausforderungen und Innovationsfelder. Ein wichtiger Bereich ist die Entwicklung phloemgängiger RNA-Formulierungen, die eine effiziente Verteilung der RNA-Wirkstoffe in der Pflanze und damit eine gezielte Wirkung im gesamten Pflanzengewebe ermöglichen. Diese Formulierungen müssen stabil sein und eine systemische Verteilung der RNA in der Pflanze unterstützen, was besondere Anforderungen an ihre Stabilität und Mobilität stellt. Darüber hinaus wird an der Optimierung der RNA-Aufnahme in Pflanzen und Zielorganismen geforscht. RNA-Moleküle müssen so gestaltet werden, dass sie von den Zielorganismen effizient aufgenommen und verarbeitet werden können. Die Erforschung der Aufnahme und des Transports von RNA innerhalb der Pflanze und zum Zielorganismus ist entscheidend, um die Effizienz dieser Technologien weiter zu steigern.

Zukünftige Entwicklungen und Anwendungen für den Zuckerrübenanbau

RNAi-basierte Pflanzenschutzmittel könnten in Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Förderung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft spielen (Koch 2024, Ökologie und Landbau). Im Rahmen des Projekts sweetRNA werden derzeit RNA-basierte Bekämpfungsstrategien gegen die Schilfglasflügelzikade und die mit ihr assoziierten bakteriellen Krankheitserreger des „Syndrome Basses Richesses“ (SBR) entwickelt, um Ertragsverluste in Zuckerrübenanbaugebieten zu verhindern. Ein zentraler Ansatz ist die Erforschung phloemgängiger RNA-Formulierungen, die eine systemische Wirkung innerhalb der Zuckerrübe ermöglichen und somit eine gezielte und umweltschonende Schädlingsbekämpfung erlauben. Diese Technologie könnte entscheidend sein, um RNA-Wirkstoffe nachhaltig gegen die Schilfglasflügelzikade einzusetzen und eine neue Komponente im integrierten Pflanzenschutz zu etablieren.

Zudem erlaubt die Flexibilität der RNAi-Technologie die Anpassung an verschiedene Schädlinge und Krankheitserreger. Neben der Schilfglasflügelzikade könnten in Zukunft auch andere stechend-saugende Schädlinge in weiteren Anbausystemen bekämpft werden (z.B. Blattläuse). Im Projekt sweetRNA werden bereits verschiedene RNA-Spezies wie dsRNA und antisense circRNA untersucht, die gemeinsam unterschiedliche zelluläre Ziele in Vektoren und Pathogenen ansteuern und so eine umfassendere Wirkung erzielen könnten.

In enger Zusammenarbeit mit landwirtschaftlichen Betrieben und der Zuckerindustrie sollen praxistaugliche Anwendungen entwickelt werden, die sich in bestehende Fruchtfolgesysteme und Pflanzenschutzstrategien integrieren lassen. Auf diese Weise können RNA-basierte Lösungen eine wichtige Rolle in der nachhaltigen Landwirtschaft spielen, ohne dass Landwirte ihre Anbaupraktiken grundlegend ändern müssen.

Die Abbildung zeigt die RNAi-basierte Pflanzenschutzstrategie zur Bekämpfung der Schilfglasflügelzikade (Pentastiridius leporinus), die als Vektor bakterielle Krankheitserreger auf Zuckerrüben überträgt und das Syndrom der tiefen Rübenkrankheit (SBR) verursacht. Ziel des Projektes ist die Entwicklung phloem-mobiler RNA-Formulierungen, die spezifisch gegen den Vektor und die Krankheitserreger wirken.

1. Stabilität des RNA-Wirkstoffs gegenüber Umweltbedingungen: Der RNA-Wirkstoff muss gegen äußere Einflüsse wie UV-Strahlung und Regen stabilisiert sein, um seine Wirkung entfalten zu können.
2. Aufnahme des RNA-Wirkstoffs durch die Pflanze: Der RNA-Wirkstoff muss in die Pflanze aufgenommen werden, um eine systemische Verteilung im Pflanzengewebe zu ermöglichen.
3. Transport des RNA-Wirkstoffs in das Phloem: Die Formulierung zielt darauf ab, dass der Wirkstoff in das Phloem gelangt, um die systemische Verteilung zu verbessern und eine gezielte Wirkung gegen den Schädling zu ermöglichen. RNA-Wirkstoffe: Die eingesetzten RNA-Spezies umfassen doppelsträngige RNA (dsRNA) und zirkuläre Antisense-RNA (caRNA), die gemeinsam verschiedene zelluläre Ziele der Zikade und der bakteriellen Pathogene adressieren sollen.

Hauptziele: Kontrolle der Schilfglasflügelzikade als Vektor und der von ihr übertragenen bakteriellen Pathogene durch phloem-mobile RNA-Formulierungen, um die Ausbreitung des SBR-Syndroms zu reduzieren und den Ertrag von Zuckerrüben zu sichern.

Zusammenfassung

Der Einsatz von RNAi-Sprays bietet eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Pflanzenschutzmitteln und könnte die Landwirtschaft in Zukunft umweltfreundlicher machen. Die Vorteile von RNAi-basierten Pflanzenschutzmitteln sind vielfältig. Sie zeichnen sich durch eine hohe Spezifität aus, die eine Schonung von Nichtzielorganismen und Nützlingen ermöglicht, und ihre Umweltverträglichkeit unterstützt nachhaltige Anbaupraktiken. Erste Produkte wie „Calantha“, das in den USA zur Bekämpfung des Kartoffelkäfers zugelassen wurde, und positive Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial dieser Technologie für den Pflanzenschutz.

Allerdings stehen RNAi-Technologien noch vor einigen Herausforderungen. Da RNAi im Pflanzenschutz eine relativ neue Technologie ist, müssen in vielen Ländern erst geeignete Zulassungs- und Bewertungsverfahren entwickelt werden. Besonderes Augenmerk muss dabei auf die Umweltverträglichkeit und Sicherheit der Produkte gelegt werden. Zudem wirken RNAi-Produkte im Gegensatz zu herkömmlichen Pestiziden oft nicht sofort nach der Applikation, was eine Anpassung der Pflanzenschutzstrategien erforderlich machen kann.

Die Forschung an RNAi-basierten Pflanzenschutzmitteln wird daher weiter intensiv vorangetrieben. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften haben sie das Potenzial, eine wichtige Rolle im Pflanzenschutz der Zukunft zu spielen, nachhaltige Anbaumethoden zu fördern und die Umweltbelastung durch Pestizide zu reduzieren.