Neue Technologie bietet Kampfchance gegen Weinrebenkiller

Wissenschaftler an der UC Riverside haben eine Chance, eine tödliche Bedrohung für Weinberge auszurotten, die von dem Scharfschützen mit glasigen Flügeln ausgeht, während seine Resistenz gegen Insektizide zunimmt.

Wenn sich das etwa einen Zentimeter lange fliegende Insekt von Weinreben ernährt, überträgt es Bakterien, die die Pierce-Krankheit verursachen. Einmal infiziert, stirbt eine Rebe wahrscheinlich innerhalb von drei Jahren ab – ein wachsendes Problem für die 58-Milliarden-Dollar-Weinindustrie Kaliforniens. Derzeit kann es nur mit Quarantänen und immer weniger wirksamen chemischen Sprays kontrolliert werden.

Neue Gen-Editing-Technologie ist Hoffnung für die Kontrolle des Scharfschützen. Wissenschaftler der UC Riverside demonstrierten, dass diese Technologie dauerhafte physische Veränderungen im Insekt bewirken kann. Sie zeigten auch, dass diese Veränderungen an drei oder mehr Generationen von Insekten weitergegeben wurden.

Ein Artikel, der die Arbeit des Teams beschreibt, wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.

„Unser Team etablierte zum ersten Mal genetische Ansätze zur Bekämpfung von Scharfschützen mit glasigen Flügeln“, sagte Peter Atkinson, Entomologe und Co-Autor der Veröffentlichung.

Für dieses Projekt verwendeten die Forscher die CRISPR-Technologie, um Gene auszuschalten, die die Augenfarbe der Scharfschützen steuern. In einem Experiment färbten sie die Augen der Insekten weiß. In einem anderen wurden die Augen zinnoberrot, eine blutrote Farbe. Dann zeigte das Team, dass diese Veränderungen der Augenfarbe dauerhaft waren und an die Nachkommen der modifizierten Eltern weitergegeben wurden.

CRISPR basiert auf dem Immunsystem von Bakterien. Bei Virenangriffen retten Bakterien DNA-Stücke von ihren Eindringlingen. Wenn die Viren zurückkehren, erkennen, schneiden und zerstören die Bakterien die virale DNA.

Wissenschaftler verwenden CRISPR wie eine „molekulare Schere“, um auf bestimmte DNA-Sequenzen abzuzielen.

„Dies ist eine großartige Technologie, weil sie so spezifisch für ein Insekt sein kann und keine Off-Target-Effekte auf andere Insekten, Tiere oder Menschen hat“, sagte Inaiara de Souza Pacheco, UCR-Entomologin und Hauptautorin der Studie. „Es ist eine viel umweltfreundlichere Strategie zur Insektenbekämpfung als der Einsatz von Chemikalien.“

Eine der interessanten Entdeckungen, die das Team gemacht hat, ist, dass sich die Gene für die Augenfarbe von Scharfschützen auf nicht-sexuellen Chromosomen befinden. Alle Tiere haben zwei Arten von Chromosomen: geschlechtlich und autosomal oder nicht geschlechtlich.

„Das Wissen, dass die Gene für Weiß und Zinnober auf autosomalen Chromosomen liegen, zeigt, dass die Vererbung dieser Gene nicht mit dem Geschlecht des Insekts zusammenhängt“, sagte Pacheco. „Das ist wichtig, um Kontrollstrategien zu entwickeln.“

Bei Mücken beispielsweise sind es ausschließlich die Weibchen, die Viren auf den Menschen übertragen. Die Identifizierung von Genen auf Geschlechtschromosomen, die weibliche Stechmücken bevorzugen, ist wichtig für Strategien zur Stechmückenbekämpfung. Umgekehrt ist es wichtig zu wissen, wann Schlüsselgene nicht auf Geschlechtschromosomen liegen.

Um zu zeigen, dass CRISPR-Mutationen an nachfolgende Generationen weitergegeben werden, musste das Team auch herausfinden, wie man die Scharfschützen dazu bringt, sich paarweise zu paaren. „Das ist in der Entomologie nicht immer einfach, weil Insekten manchmal mehr als ein anderes Insekt brauchen, um zur Paarung angeregt zu werden“, erklärt Atkinson.

Nachdem das Team nun gezeigt hat, dass CRISPR bei diesen Insekten wirken kann, haben sie ein neues Ziel.

„Wir verwenden CRISPR, um zu versuchen, die Mundteile des Scharfschützen so zu modifizieren, dass sie die Bakterien, die die Pierce-Krankheit verursachen, nicht aufnehmen können“, sagte Rick Redak, UCR-Entomologe und Co-Autor der Veröffentlichung.

Angesichts der Effizienz, mit der sie die Gene für die Augenfarbe der Scharfschützen verändern konnten, ist es sehr wahrscheinlich, dass es dem Team gelingen wird, die Münder zu modifizieren. Das Team injizierte die CRISPR-Moleküle in kürzlich gelegte Eier, und in einigen Experimenten wurden aus 100 % der Eier Nymphen mit veränderter Augenfarbe.

„Es ist absolut erstaunlich, weil die Erfolgsrate bei anderen Organismen oft 30 % oder weniger beträgt“, sagte Linda Walling, Pflanzenbiologin und Co-Autorin der Veröffentlichung. „Die hohe Erfolgsrate der Genbearbeitung bei Scharfschützen mit Glasflügeln verheißt Gutes für unsere Fähigkeit, neue Methoden zur Insektenbekämpfung zu entwickeln und die grundlegende Biologie dieses verheerenden Schädlings zu verstehen.“

Atkinson ist auch erstaunt, wie nah das Team seinem Ziel gekommen ist, Insekten zu erschaffen, die nicht ansteckend sind. „Vor CRISPR war es praktisch unmöglich, spezifische Mutationen so einfach bei so hohen Frequenzen zu erzeugen“, sagte Atkinson. „Jetzt sind wir zuversichtlich, dass wir Wege finden können, um Insekten zu erschaffen, die diese Krankheit nicht übertragen können.“

„Das Ergebnis dieser Forschung ist ein Beispiel für die Stärke, die die Landwirtschaftsabteilungen des College of Natural and Agricultural Sciences der UCR in die Entwicklung innovativer Schädlingsbekämpfungsstrategien einbringen“, sagte er.

Neben Wissenschaftlern der Abteilung für Entomologie der UCR gehörten dem Forschungsteam Walling von der Abteilung für Botanik und Pflanzenwissenschaften und der Mykologe Jason Stajich von der Abteilung für Mikrobiologie und Pflanzenpathologie an.

Ihre Arbeit wurde vom kalifornischen Ministerium für Ernährung und Landwirtschaft sowie vom Tier- und Pflanzengesundheitsinspektionsdienst des US-Landwirtschaftsministeriums finanziert.

Das Team ist besonders ermutigt durch die Ergebnisse ihrer CRISPR-Experimente an Scharfschützen, die Teil einer Klasse von Insekten sind, für die andere molekulare Kontrollstrategien bisher nicht wirksam waren.

„Es sieht so aus, als würden Scharfschützen ein Modellorganismus für die Hemiptera werden, diese große Kategorie von stechenden, saugenden Insekten“, sagte Redak. „Unser Modell, CRISPR für sie zu verwenden, könnte unsere Fähigkeit zur Bekämpfung von Krankheiten, die sie auf Pflanzen und möglicherweise auch auf Menschen übertragen, aufsprengen.“