RNA-Interferenz (RNAi) als Innovation im Pflanzenschutz

Klimawandel, schrumpfende Anbauflächen und die Verbreitung von Schädlingen stellen die Landwirtschaft vor erhebliche Herausforderungen. Für die Gewährleistung erfolgreicher Ernten und somit ausreichender Nahrungsmittelversorgung wird eine Vielzahl an Pestiziden angewendet, um die Nutzpflanzen vor Schädlingen zu schützen. Konventionelle Pestizide können jedoch teilweise in der Umwelt verbleiben und negative Wirkungen bei den dort lebenden Organismen hervorrufen. Daher wird kontinuierlich daran geforscht, schädliche Nebenwirkungen von Pflanzenschutzmethoden zu reduzieren und Alternativen zu konventionellen Pestiziden zu entwickeln. Seit einigen Jahren rücken vor allem die RNA-Interferenz (RNAi)-basierten Pflanzenschutzmethoden in den Fokus der Forschung und stellen eine vielversprechende Alternative dar. Dies liegt zum einen an der schnellen Abbaubarkeit von RNA-Molekülen und der Möglichkeit, die Wirkstoffe sehr spezifisch auf Schädlinge auszurichten. Da sich der RNAi-basierte Pflanzenschutz in der Wirkweise und Applikation von konventionellen Pestiziden unterscheidet, ist eine Anpassung der klassischen Methoden zur Bewertung des Umweltrisikos der RNAi-Anwendungen gefordert. Mitarbeitende des Fraunhofer IME in Schmallenberg sind in zwei Projekten zur Erfassung des Entwicklungsstands sowie zur Ermittlung einer Umweltrisikobewertungsstrategie von RNAi-Pflanzenschutz engagiert.

RNA-Interferenz (RNAi) – Was ist das und wofür ist es gut?

Der RNAi-Mechanismus ist ursprünglich ein natürlicher Abwehrmechanismus des Immunsystems von Eukaryoten gegen Viren. Im Pflanzenschutz wird dieser Mechanismus ausgenutzt, um spezifisch überlebenswichtige Gene im Schädling zu seiner Bekämpfung stillzulegen. Dafür wird eine zum Zielgen im Schädling komplementäre doppelsträngige RNA (dsRNA) hergestellt, die im Organismus in kleinere Moleküle gespalten und in den RNA-induced Silencing Complex (RISC) eingebaut wird. Die Ziel-RNA wird daraufhin von diesem Komplex gebunden und dadurch die Produktion des entsprechenden Proteins verhindert. Dadurch können beispielsweise das Wachstum, die Reproduktion oder das Überleben des Schadorganismus gehemmt werden.

Im Pflanzenschutz können einerseits Nutzpflanzen gentechnisch so verändert werden, dass sie die dsRNA selbst produzieren (Host-induced gene silencing; HIGS) oder aber es können sogenannte RNA-Sprays verwendet werden, die apikal auf die Pflanzen aufgetragen werden (Spray-induced gene silencing; SIGS). Durch Fraß der Pflanze nimmt der Schädling die dsRNA auf, die dann im Organismus die Produktion von lebenswichtigen Proteinen blockiert. Da die dsRNA-Sequenzen sehr spezifisch für den Schädling entwickelt werden können, wird angenommen, dass RNA-Anwendungen eine geringere Gefahr für Nichtzielorganismen darstellen. Darüber hinaus ist die dsRNA selbst sehr instabil in der Umwelt, sodass davon ausgegangen wird, dass das Risiko eines andauernden Verbleibs in der Umwelt, wie es bei einigen Chemikalien der Fall ist, gering ist. Gleichzeitig stellt diese Instabilität jedoch ein Problem für die Effektivität der dsRNA dar. Aus diesem Grund wird stetig an neuen Formulierungstechniken geforscht, um die RNA zu stabilisieren.

Projekt 1: Umwelteffekte RNAi-basierter GV-Pflanzen und Verfahren zur transienten Modifizierung von Organismen
 

In einem vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) geförderten Projekt wurde im Rahmen verschiedener Arbeitspakete der aktuelle Stand und die Entwicklung von RNAi-basiertem Pflanzenschutz ermittelt sowie ein Überblick über die Entwicklung von Risikobewertungsstrategien gegeben.

In einem Horizon Scan der Literatur zwischen 2013 und 2023 wurde der aktuelle Stand der RNAi-Entwicklungen erfasst und von Kirsten Germing, Mitarbeiterin der Abteilung Ökotoxikologie und ihren Kolleginnen und Kollegen publiziert (Germing et al 2025, s.u.). Die Literatur wurde nach zu schützender Nutzpflanze, Zielorganismus (Schädling), Funktion des Zielgens, Anwendungsmethode (beispielsweise HIGS oder SIGS) und Entwicklungsstand der Methode ausgewertet. Die Literaturrecherche zeigte, dass sich die Entwicklung von Anwendungen auf Spray-Methoden konzentriert. Es konnten Forschungsarbeiten für die Nutzung von RNAi für eine Vielzahl von Zielorganismen sowie Nutzpflanzen ermittelt werden. Viele Entwicklungen befinden sich nicht mehr nur in der Anfangsphase; als größte Herausforderung der aktuellen Forschung hat sich die Entwicklung der Anwendungsmethode sowie der Entwicklung von stabilisierenden Formulierungen herausgestellt. In der kommerziellen Anwendung befinden sich derzeit drei Entwicklungen in den USA: die zwei gentechnisch veränderten Maissorten SmartStax® Pro und Vorceed™ Enlist®, die dsRNA gegen den Maiswurzelbohrer exprimieren, sowie das dsRNA-Spray Calantha®, welches gegen den Kartoffelkäfer angewendet wird.

In einer aufbauenden Studie wurde Literatur gesammelt, um einen Überblick zu den molekularen RNAi-Mechanismen sowie der möglichen Klassifizierung und Detektion von RNAi-Effekten in gentechnisch veränderten Pflanzen zu geben (Diaz et al 2025, s.u.). Wir haben in dieser Studie identifiziert, dass RNAi vermutlich sehr spezifisch wirkt und bisher keine Effekte in der Nutzpflanze nachgewiesen werden konnten. Die Erfassung dieser Effekte stellt jedoch eine große Herausforderung dar und Nachweise sind in der Literatur kaum zu finden. Zur Identifizierung dieser Effekte wird die Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden sowie bioinformatischer Ansätze empfohlen.

Der Stand der Forschung zu potenziellen Effekten auf Nichtzielorganismen wurde in einem weiteren Arbeitspaket untersucht (Hommen et al 2026, in Vorbereitung). Die Auswertung der Literatur ergab, dass bisher bestehende Risikobewertungsstrategien prinzipiell an RNAi-Anwendungen angepasst werden können. Vor allem bioinformatische Methoden sollten stärker in die Risikobewertung eingebunden werden, da diese im Hinblick auf den besonderen Wirkmechanismus der RNAi-Anwendungen zur Abschätzung von unbeabsichtigten Sequenzhomologien genutzt werden können.

In einem Workshop am BfN im Oktober 2024 wurden die Zwischenergebnisse des Projektes vorgestellt und mit nationalen und internationalen Experten aus Forschung, Industrie und von Behörden diskutiert.

Projekt 2: Strategieentwicklung zur Umweltrisikobewertung von RNAi-basierten Pestiziden (SIGS)
 

Hannah-Philine Dey, Mitarbeiterin in der Abteilung Ecotoxicogenomics, erarbeitet in ihrer vom Umweltbundesamt finanzierten Doktorarbeit die Grundlagen für eine neue Strategie zur Umweltrisikobewertung von dsRNA-Sprays. Dabei wird untersucht, inwieweit die geltenden Datenanforderungen für die europäische Zulassung konventioneller Pestizide auf RNAi-basierte Pestizide übertragbar sind und wie sie gegebenenfalls angepasst werden müssen, um den neuen Wirkmechanismus zu berücksichtigen.

Dabei werden zwei Aspekte gesondert fokussiert: Zum einen wird eine bioinformatische Analyse mit anschließendem experimentellem Teil durchgeführt. Hierbei wird mit Hilfe von molekularbiologischer Analyse von Boten-RNA (mRNA) ermittelt, inwieweit die Bioinformatik hinreichende Vorhersagen für das Umweltrisiko für Nichtzielorganismen treffen kann. Dies bietet die Chance für die Umweltrisikobewertung, geforderte ökotoxikologische Tests spezifischer eingrenzen zu können.

Im zweiten Teil des Projektes wird eine Bewertungsstrategie entwickelt, wodurch die neuartigen Formulierungstechnologien in Zukunft bei der Umweltrisikobewertung mitbetrachtet werden können. Hierfür wurde auf Basis eines universellen Signalmoleküls eine Methode etabliert, die für möglichst viele Nichtzielorganismen gleichzeitig verwendet werden kann und die Umweltrisikobewertung von Formulierungen für RNAi-Sprays zu ermöglichen.

Im Hinblick auf das Bestreben, die Nutzung von konventionellen, chemischen Pestiziden zu reduzieren, ist die Forschung an RNAi-Pflanzenschutz ein vielversprechender Ansatz. Mit diesen beiden Projekten tragen wir zu der Weiterentwicklung der Umweltrisikobewertung bei, um zu gewährleisten, dass die umweltsichere Zulassung der RNAi-Anwendungen vorangebracht wird.