Feldstudien haben ergeben, dass der Einsatz von Biodiversität anstelle von Pestiziden Ernteschäden durch Pflanzenfresser reduzieren kann

Pestizide sind nicht immer notwendig. Forscher der Universität Zürich haben in einer umfassenden Feldstudie gezeigt, dass Schäden durch Pflanzenfresser durch die Nutzung der Artenvielfalt innerhalb einer Pflanzenart reduziert werden können. Verschiedene Pflanzengenotypen können zusammenarbeiten, um pflanzenfressende Insekten abzuwehren. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Agronomie für nachhaltige Entwicklung.

Genau wie Menschen interagieren Pflanzen mit den Menschen um sie herum. Wenn beispielsweise die Menschen in Ihrem Umfeld anfälliger für Infektionen sind, steigt auch das eigene Risiko, sich anzustecken, und umgekehrt.

Dasselbe gilt auch für Pflanzen. Wenn verschiedene genetische Typen derselben Pflanzenart gemischt und zusammengepflanzt werden, sind einige Kombinationen resistenter gegen Schädlinge und Krankheiten. Dieser positive Biodiversitätseffekt wird als assoziative Resistenz bezeichnet.

Lebensmittelsicherheit und -konservierung

Eine der zentralen Herausforderungen der modernen Gesellschaft besteht darin, Ernährungssicherheit und den Schutz von Umwelt und Artenvielfalt in Einklang zu bringen. Schädlinge und Krankheiten stellen eine ernsthafte Bedrohung für Nutzpflanzen dar, weshalb chemische Wirkstoffe wie Pestizide in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung sind. Allerdings können Pestizide die Artenvielfalt von Insekten verringern.

„In diesem Zusammenhang könnte assoziative Resistenz eine neue Methode sein, um die Nahrungsmittelproduktion sicherzustellen und gleichzeitig die Artenvielfalt zu erhalten“, sagt Kentaro Shimizu, Direktor der Abteilung für Evolutionsbiologie und Umweltstudien der UZH.

Doch welche Kombinationen von Pflanzengenotypen sollten zusammen gepflanzt werden, um Schädlingen und Krankheiten wirksam zu widerstehen? Wählt man beispielsweise zwei Genotypen aus insgesamt 199 Genotypen aus, ergeben sich 19.701 mögliche Kombinationen. Forschende der UZH haben nun neue Methoden zur Genomvorhersage entwickelt, die mithilfe eines physikalischen Modells Interaktionen zwischen Individuen auf genetischer Ebene analysieren.

Umfangreiche Feldforschung im Forschungsgarten

Zunächst führten die Forschenden über zwei Jahre hinweg großflächige Pflanzenanbauversuche auf offenen Feldern auf dem Campus Irchel sowie in Japan durch. Für die weltweit gesammelten 199 Genotypen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana lagen bereits genomische DNA-Informationen vor. Die Forscher mischten und pflanzten nach dem Zufallsprinzip mehr als 30 Individuen jedes Genotyps, sodass insgesamt 6.400 Pflanzen entstanden.

„Um 52.707 Insekten auf 6.400 Pflanzen zu zählen, verbrachte der leitende Forscher Yasuhiro Sato Monate im Forschungsgarten. Dieser erstaunliche Datensatz, der mithilfe des Forschungsgartens auf dem Irchel-Campus gesammelt wurde, war der Schlüssel zu dieser Studie“, sagt Shimizu.

Bisher gab es keine Methoden, um zu analysieren, welche Genomregionen Interaktionen wie assoziative Resistenzen zwischen benachbarten Pflanzenindividuen zugrunde liegen. Yasuhiro Sato und sein Team entwickelten daher eine neue Analysemethode namens Neighbor GWAS.

Diese Methode wendet ein in der Physik verwendetes Modell zur Analyse von Wechselwirkungen zwischen Magneten auf die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Pflanzenindividuen an. Basierend auf den tatsächlichen Ergebnissen von Feldversuchen wird untersucht, wie sich die Schädigung von Pflanzenfressern auswirkt, wenn Individuen mit bestimmten genetischen DNA-Sequenzen benachbart sind.

Bis zu 25 % weniger Schaden durch Pflanzenfresser

Die Analyse mit dieser neuen Methode zeigte, dass zahlreiche Gene an Interaktionen mit umliegenden Individuen beteiligt sind. Mithilfe einer Methode des maschinellen Lernens konnten die Forscher Schäden durch Pflanzenfresser vorhersagen und vorteilhafte Genotypkombinationen identifizieren, für die eine assoziative Resistenz vorhergesagt werden konnte.

Das Forschungsteam führte über zwei Jahre hinweg ein weiteres groß angelegtes Feldexperiment durch und pflanzte dabei etwa 2.000 Pflanzenindividuen in Genotyppaaren an, für die drei verschiedene Grade assoziativer Resistenz vorhergesagt wurden. Dieses Experiment ergab, dass im Vergleich zum Pflanzen eines einzelnen Genotyps die Mischung zweier Genotypen den Pflanzenfresserschaden um 24,8 % bzw. 22,7 % reduzierte, und zwar für die höchste und zweithöchste assoziative Resistenzstufe.

Zukünftige Entwicklungen

„Aus Sicht der Grundlagenforschung kann dies als Meilenstein in der Erforschung der Interaktionen zwischen Pflanzenindividuen angesehen werden“, sagt Shimizu. „Es unterstreicht die Bedeutung der Biodiversität in zweierlei Hinsicht. Erstens kann die genetische Vielfalt der Nutzpflanzen selbst Schädlingsschäden reduzieren. Zweitens kann die Reduzierung des Einsatzes von Pestiziden in der Landwirtschaft zur Erhaltung der Biodiversität, einschließlich der von Insekten, beitragen.“

Metaanalysen mit Bernhard Schmid als Co-Autor haben gezeigt, dass bei Nutzpflanzen wie Weizen oder Reis Ertragssteigerungen von 4–16 % erzielt werden, wenn zufällige Genotypen auf dem Feld gemischt werden. Für diese wichtigen landwirtschaftlichen Pflanzenarten, deren Genome bekannt sind, ermöglicht die neue Methode laut Shimizu die Vorhersage von Mischungen spezifischer Pflanzengenotypen, die die assoziative Resistenz maximieren und so den Ertrag noch weiter steigern und gleichzeitig den Einsatz von Pestiziden einsparen.