Paul Nelson ist es gewohnt, mit einer invasiven Fruchtfliege namens Spotted Wing Drosophila zu kämpfen, einem Schädling, der ein Jahr lang mehr als die Hälfte der Beeren auf der Farm in Minnesota zerstört hat, die er und sein Team betreiben. In den letzten Jahren konnten sie ihre Verluste auf nahezu 5 % reduzieren, aber das war arbeitsintensiv und teuer.
„Es ist eine Plage, die, wenn man nicht bereit ist, sich Zeit zu nehmen, die eigene Farm übernimmt“, sagte Nelson, der Hauptanbauer bei Untiedt’s, einem Gemüse- und Obstbetrieb etwa eine Stunde westlich von Minneapolis.
Nelson und andere Züchter erhalten möglicherweise eines Tages ein neues Werkzeug als Ergebnis der Forschung an der North Carolina State University über Insekten, die die Beeren ruinieren, indem sie ihre Eier darin ablegen, und die Züchter schätzungsweise jährlich Hunderte Millionen Dollar kosten. Mithilfe eines Konzepts namens „Gene Drive“ manipulierten die Forscher die DNA der Insekten so, dass die weiblichen Nachkommen unfruchtbar waren, und die Methode, mit der sie dies erreichten, verringerte die Wahrscheinlichkeit einer Erholung der Population erheblich.
Die Forscher, deren Arbeit am Montag in der veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften, fanden heraus, dass bis zu 99 % der Nachkommen das Sterilitätsmerkmal erben würden, wenn sie eine ihrer modifizierten Fliegen mit einer nicht modifizierten Fliege kreuzten würden. Sie verwendeten mathematische Modelle, um zu zeigen, dass sie eine Population in etwa fünf Monaten zum Kollaps bringen könnten, wenn sie alle zwei Wochen eine modifizierte Fruchtfliege für jeweils vier nicht freigesetzte Fruchtfliegen freilassen würden.
Die genetische Veränderung von Insekten zur Schädlingsbekämpfung ist keine neue Idee. Wissenschaftler haben beispielsweise bereits gentechnisch veränderte Mücken freigesetzt, die sich mit der einheimischen Bevölkerung paaren und Nachkommen hervorbringen, die vor dem Erwachsenenalter sterben, um die Populationen einzudämmen und zur Bekämpfung der Ausbreitung von durch Insekten übertragenen Krankheiten wie Gelbfieber, Dengue-Fieber und Zika-Viren beizutragen. In der Landwirtschaft hat sich die Technologie jedoch nicht so weit verbreitet, weil Pestizide billiger und einfacher einzusetzen sind.
Max Scott, Professor für Entomologie und Mitautor des Artikels, sagte, dass einige Methoden zur Freisetzung gentechnisch veränderter Insekten zur Eindämmung von Populationen teuer werden würden, wenn sie in großem Maßstab angewendet würden, da sie immer wieder durchgeführt werden müssten, bevor die Schädlinge abgetötet würden aus. Aber er sagte, dass die Methode seines Teams, die auf einer Idee namens „Gene Drive“ basiert, die Ausbreitung der Sterilität über aufeinanderfolgende Generationen hinweg schneller erleichtert, und das könnte bedeuten, dass die veränderten Keime seltener freigesetzt werden müssen.
„Wir sind wirklich begeistert davon“, sagte Scott. „Das System arbeitet wirklich effizient.“
Wenn der genetische Prozess der Forscher auf dem Feld funktioniert, könnte er eine wichtige Ergänzung zum Arsenal an Schädlingsbekämpfungstechniken der Landwirte gegen einen hartnäckigen Schädling sein, der selbst nach dem Einsatz von Pestiziden 20–30 % eines Himbeerertrags auslöschen kann, sagte Bill Hutchison. Professor und Erweiterungsentomologe an der University of Minnesota. Und der Kampf gegen Schädlinge habe mit dem Klimawandel zugenommen, fügte er hinzu, da wärmere Winter es invasiven Arten wie der Gefleckten Flugdrossel ermöglichen, den Winter besser zu überleben und ihr Verbreitungsgebiet für die Überwinterung nach Norden auszudehnen.
Bei Untiedt sagte Nelson, er habe wärmere Winter und frühere Frühlinge bemerkt. Er wartet immer noch darauf, die ersten Fruchtfliegen dieses Jahres zu sehen, aber sie kommen jedes Jahr früher auf die rund 35 Hektar großen Erdbeeren, Himbeeren und Tomaten der Farm, sagte er.
„Jahrelang sagten sie uns immer wieder, dass man in den Juni-Erdbeeren nie (Flügeldrosophila) sehen wird, weil sie zu früh fertig sind. Das stimmt nicht. Wir haben sie in unseren Juni-Erdbeeren gefunden“, sagte er .
Um die Schädlinge zu bekämpfen, haben Nelson und sein Team Pestizide und Fallen eingesetzt und viel Zeit damit verbracht, nach den winzigen Käfern zu suchen. Hutchison sagte, dass einige Landwirte belüftete Netze oder Plastik verwenden, die effektiv eine Art Gewächshaus über ihren Früchten schaffen. Aber alle diese Methoden haben Nachteile. Pestizide können nützliche Insekten töten und das Versprühen kann dazu führen, dass Landwirte, die ihre Beeren selbst pflücken lassen, ihren Betrieb für ein paar Tage einstellen müssen. Das Aufstellen von Netzen kann schwierig sein und Plastikabdeckungen können die Ernte überhitzen.
Luciano Matzkin, außerordentlicher Professor für Entomologie an der University of Arizona, untersucht Drosophila und andere Schädlingsarten mit Blick auf die Landwirtschaft. Matzkin, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte, dass die Konzentration von Scotts Team auf die Bekämpfung des Schädlings durch die Sterilisierung von Weibchen ein Problem gelöst habe, das manchmal bei der Gene-Drive-Technologie auftritt – dass eine glückliche Genmutation entstehen und weitergegeben werden könne, was den Erwartungen der Wissenschaftler widerspreche erreichen.
Lyric Bartholomay, Professor an der School of Veterinary Medicine der University of Wisconsin-Madison, der integrierte Schädlingsbekämpfung und Entomologie im Bereich der öffentlichen Gesundheit studiert und nicht an der Studie beteiligt war, sagte, dass zum Schutz in Zukunft „zunehmend maßgeschneiderte genetische Ansätze“ erforderlich sein werden Nutzpflanzen und Menschen vor Schädlingen, insbesondere da die Resistenz gegen Insektizide zunimmt.
Von der praktischen Anwendung ist die Forschung noch Jahre entfernt. Scott und sein Team gehen zu weiteren Laborversuchen über, um zu sehen, ob ihre mathematische Modellierung korrekt ist, und würden dann einen Regulierungsprozess durchlaufen, bevor sie zu Feldversuchen übergehen. Weitere Forschung wird auch erforderlich sein, um Überlegungen wie regionale genetische Variation innerhalb derselben Art und die ökologischen Auswirkungen von Interaktionen mit anderen Arten zu berücksichtigen, was sowohl Scott als auch Matzkin hervorgehoben haben.
Matzkin sagte, wenn es keine negativen Umweltrisiken gäbe, sei „ein erfolgreicher Biokontrollansatz immer vorzuziehen“ gegenüber Pestiziden, die selbst erhebliche Umweltfolgen und Kosten haben. Deshalb, sagt er, untersuchen entomologische Abteilungen im ganzen Land die Biologie und Ökologie der Insekten, während andere Forscher gleichzeitig an transgenen Ansätzen zur Populationskontrolle bei einer Vielzahl von Schädlingen arbeiten.
In der Zwischenzeit wird Nelson abwarten, ob neue Lösungen entstehen, die ihm bei der Bekämpfung von Schädlingen helfen. Er betreibt mit seinem 24-jährigen Sohn einen Bauernhof und sagt, er mache sich Sorgen um die Zukunft.
„Die Experten werden uns alle sagen, was los ist. Aber wenn wir Landwirtschaft betreiben, schauen wir uns die Frage an: Wie wird sich das für die nächste Generation verändern?“ er hat gefragt. „Wenn uns unsere Beerenverkäufe entgehen, ist das eine sehr große Sache für unseren Betrieb.“
Mehr Informationen:
Amarish K. Yadav et al., CRISPR/Cas9-basierter Split-Homing-Gen-Drive, der auf Doppelgeschlechtliche abzielt, um die Population des weltweiten Obstschädlings Drosophila suzukii zu unterdrücken, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2301525120
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