Wissenschaft
Raupen-Gen per Fernsteuerung ausgeschaltet
Forschern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena ist es gelungen, eine Fernsteuerung zu entwickeln, mit denen sie die Aktivität eines Gens in den Raupen des Amerikanischen Tabakschwärmers kontrollieren können, ohne in das Genom des Insekts direkt einzugreifen. Sie setzten dazu Viren-Genfähren ein, die eine bestimmte doppelsträngige RNA zuerst in die Zellen der Blätter des Kojotentabaks einführte. Als die Raupen die Blätter fraßen, nahmen sie auch die RNA auf. In den Darmzellen der Tiere sorgte diese dann dafür, ein Gen zu blockieren. Von ihrem Erfolg berichten die Forscher in der Ausgabe des Fachmagazins PLoS one vom 1. Februar (2012 Vol 7/2: e31347).
Im Laufe der Evolution haben viele Pflanzen Mechanismen entwickelt, sich gegen ihre Fraßfeinde zu wehren. Einige produzieren Gifte, die sogenannten Sekundärstoffe. Die Schädlinge reagierten auf diese Kampfansage wiederum mit der Konstruktion von Entschärfungsmechanismen. Diese benutzen bestimmte Proteine, die die Gifte der Pflanzen umleiten oder gar abbauen können.
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Die Jenaer Ökologen um Ian Baldwin wollen gerne die Tricks der Pflanzenschädlinge entschlüsseln. Da diese Insekten aber oftmals nur schwer genetisch direkt zu manipulieren sind, gehen die Forscher einen Umweg. Sie modifizieren das Menü der Insekten. Gentechnisch veränderte Pflanzen zu züchten, dauert jedoch lange und ist recht aufwändig. Baldwin und sein Team arbeiten daher gern mit Pflanzenviren. Mit diesen Genfähren bringen sie DNA- und RNA-Moleküle in die Pflanze ein und beobachten die Veränderung. Vor mehr als zehn Jahren entwickelten sie diese Methode, um Genfunktionen von Pflanzen zu regulieren. Statt um die Genfunktion der Pflanzen geht es jetzt aber um die Genfunktion ihrer Fraßfeinde, genauer gesagt darum, welche Gene ihnen helfen, gegen einige Gifte resistent zu werden. Dafür entwickelten sie eine neue Generation ihrer Pflanzenviren.
Einer der bekanntesten – und aus medizinischer Sicht auch für den Menschen schädlichsten – sekundären Pflanzenstoffe ist 3-(1- Methylpyrrolidin-2-yl)-pyridin. Er wird von vielen Arten produziert und heißt in der nichtwissenschaftlichen Version Nikotin. Es stammt ursprünglich aus Amerika und wurde im 16. Jahrhundert durch Jean Nicot populär gemacht. Nicot war Tabakexperte, sein Nachname hat nicht nur Pate gestanden für das Nikotin, sondern auch den botanischen Namen der Tabakpflanze, Nicotiana tabacum. Auch der Wilde Tabak beziehungsweise Kojoten-Tabak Nicotiana attenuata setzt Nikotin als Gift gegen Fraßfeinde ein. Allerdings sind die Raupen des Tabakschwärmers Manduca sexta in der Lage, mit Nikotin zurechtzukommen. Im Laufe der Evolution hat sich ein Mechanismus entwickelt, der die Raupen in die Lage versetzt, das Nikotin abzubauen. Das passiert durch bestimmte Gene, die Abwehrproteine produzieren. Knabbern die Raupen an nikotinhaltigen Blättern, wird die Expression der sogenannten CYP-Gene bei den gefräßigen Insekten heraufreguliert.
Von hinten durch die Brust ins Auge
Hier setzen die Jenaer Forscher an. Sie wollen der Pflanze helfen, ihr Waffenarsenal wieder scharf zu machen. Der mit viralen Genfähren modifizierte Tabak besitzt spezielle, doppelsträngige RNA-Moleküle, die – wenn die Raupe sich zu Tisch lässt – in den Darm gelangt. Über noch ungeklärte Vorgänge gelangen jene Moleküle in die Darmzellen der Raupe und lagern sich dort an jene mRNA-Stückchen an, die die Bauanleitungen für die CYP-Abwehrproteine sind. Damit wird die mRNA blockiert.
Kojoten-Tabak (Nicotiana attenuata) in Lovell Canyon, Spring Mountains (Südnevada, USA)Quelle: Stan Shebs/wikimedia commonsDie Technik ist als RNAi-Technik beziehungsweise RNA-Interferenz bekannt. Die Jenaer Ökologen wiesen nun nach, dass sich ein solcher Eingriff in der Tabakpflanze wirklich nur auf ein Zielgen beschränken lässt. Dazu entwickelten sie eine doppelsträngige RNA, die ausschließlich gegen die mRNA des CYP-Gens 6BB46 wirkt. „Die Überprüfung der mRNA-Mengen eng verwandter CYP-Gene in der Raupe der Motte ergab, dass ausschließlich das CYP6B46-Gen abgeschaltet worden war“, sagt Ian Baldwin.
Auch mit bloßem Augen konnten sich die Forscher vom Erfolg ihrer Methode überzeugen. Nach 14 Tagen wogen die jungen Raupen, die sich auf den behandelten Tabakblättern entwickelten, signifikant weniger, als die von den Kontrollblättern. Das Nikotin der Pflanzen wirkte wieder. Das könnte schon ausreichen, um beinahe den ganzen Bestand auf einem Feld zu retten. Denn eine Raupe des Tabakschwärmers frisst durchschnittlich drei Pflanzen kahl, bevor sie sich verpuppt. Die Forscher glauben, dass die kleineren Raupen viel zu schwach sind, um zur zweiten Pflanze überzuwechseln. Sie verhungern schon auf der ersten Pflanze. Möglicherweise ließe sich so ein Pflanzenschutzmittel entwickeln, dass die Tabakpflanzen in die Lage versetzt, sich selbst zu helfen.
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