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Auf der Suche nach Schlüssel-Enzymen

Toxikogenomik: Wie Honigbienen Pflanzenschutzmittel entgiften

Honigbienen besitzen Entgiftungsmechanismen, die bestimmte Insektizide schnell und effizient abbauen können. Die angewendete Dosierung bleibt für die Zielschädlinge toxisch, für Bienen aber nicht. Dadurch können gewisse Insektizide bei blühenden Pflanzen angewendet werden, die für Bienen attraktiv sind. Forscher von Bayer untersuchen momentan, welche Enzyme an diesem Stoffwechselvorgang zur Entgiftung beteiligt sind. Mit diesem Wissen wollen sie in Zukunft noch zielgerichteter Pflanzenschutzmittel entwickeln, die effektiv gegen Schädlinge wirken und zugleich eine geringe Toxizität für Honigbienen haben.


Toxikogenomik: Wie Honigbienen Pflanzenschutzmittel entgiften

Auf einen Blick

// Honigbienen verfügen über Stoffwechselmechanismen, über die sie bestimmte Insektizide besonders effizient abbauen können.

// Bayer-Forscher haben herausgefunden, wie Enzyme in Bienen gewisse Insektizide besonders schnell abbauen.

// Dieses Wissen wollen sie nutzen, um die Entwicklung neuer, besonders bienenfreundlicher Insektizide zu erleichtern.


Teamwork at the lab

Teamarbeit im Labor: Denise Steinbach, Dr. Ralf Nauen, Harald Köhler und Marion Zaworra (von links) arbeiten nicht nur mit Honigbienen – sie untersuchen auch, wie manche Schädlinge Resistenzen gegen Pflanzenschutzmittel bilden können.

Die molekularen Mechanismen und Werkzeuge, mit denen Honigbienen bestimmte Pflanzenschutzmittel abbauen, weisen markante Unterschiede auf. Während gewisse Mengen von einem Insektizid eine Honigbiene töten können, lässt ein anderes ihre Gesundheit völlig unbeschadet. „Honigbienen scheinen sehr wirksame Stoffwechselmechanismen zu haben, um mit bestimmten Insektiziden zurechtzukommen“, erklärt Dr. Ralf Nauen, Leiter des Bee Toxicogenomics-Projekts in der Insektenforschung bei Bayer. Gemeinsam mit seinem Team will er herausfinden, welche Stoffwechselvorgänge an den Entgiftungsmechanismen beteiligt sind.

Dazu setzen die Forscher die Bienen gezielt unterschiedlichen Insektiziden aus. „Wir haben mehrere Produkte mit Insektiziden geprüft, die zum Beispiel gegen Schädlinge wie Blattläuse oder blätterfressende Käfer eingesetzt werden: Während einige Verbindungen wie Thiacloprid bei entsprechender Dosierung keine Auswirkungen auf die Gesundheit der Bienen hatten, waren andere aus derselben chemischen Klasse bei vergleichbarer Exposition akut giftig für die Tiere“, erklärt Dr. Nauen. Und das, obwohl sich einige der Wirkstoffmoleküle strukturell nur minimal voneinander unterscheiden und mit den gleichen Rezeptoren im Insektenkörper reagieren. „Die Ergebnisse verdeutlichen auch, dass Insektizide aus derselben chemischen Klasse wie etwa Neonikotinoide in ihrer Wirkung nicht pauschal beurteilt werden können“, sagt Dr. Nauen. Warum das so ist, dem sind er und sein Team auf den Grund gegangen: Und tatsächlich schützen natürliche Resistenzen oder Selbstverteidigungsmechanismen Honigbienen vor Wirkstoffen wie Thiacloprid, die nur eine geringe akute Toxizität gegenüber Bienen haben. Die Forscher durchleuchteten daher das Honigbienengenom, das 2006 veröffentlicht wurde. In den rund 10.000 Genen suchten sie diejenigen, die an der Entgiftung einiger Insektizide beteiligt sind. Sie klonten und exprimierten viele der Gene, um herauszufinden, ob sie in den Zelllinien die Fähigkeit zur Entgiftung besitzen. Aber das ist nicht alles: „Um die Funktion eines Gens zu bestimmen, legen wir es still“, erklärt Dr. Cristina Manjon, Postdoktorandin in Dr. Nauens Labor. Dazu nimmt man vorsichtig eine betäubte Honigbiene und verabreichen ihr eine sogenannte Antisense- RNA: Diese Ribonukleinsäure (RNA) bindet sich zielgerichtet an ein Zwischenprodukt eines bestimmten Gens namens Boten-RNA und blockiert es.

 
intra-abdominal microinjection apparatus administers an antisense RNA to an anesthetized honey bee

Millimeterarbeit
Mithilfe einer Mikroinjektion in den Hinterleib wird der betäubten Honigbiene eine Antisense-RNA verabreicht, die ein bestimmtes Gen blockiert.

Das Gen kann seine normale Funktion dadurch nicht mehr ausführen. Die Bienen, die ein solches stillgelegtes Gen haben, werden im Anschluss mit einem Insektizid in Kontakt gebracht, das sie normalerweise entgiften können. Zum Vergleich wird dieselbe Substanz auch bei einer zweiten Kontrollgruppe von unbehandelten Bienen angewendet. „Wir untersuchen dann, wie die Bienen auf das praktisch nicht giftige Insektizid reagieren, also ob es ihr Wohlbefinden beeinflusst oder Symptome einer Vergiftung auslöst“, erklärt die Bienenforscherin.

Erst kürzlich identifizierten die Forscher ein Gen, das Honigbienen vor den Auswirkungen einiger Insektizide schützt: Bienen mit einer stillgelegten Kopie des Gens haben den Kontakt mit dem applizierten Insektizid nicht überlebt – die Kontrollgruppe dagegen schon. „Das bedeutet, dass genau dieses Gen wichtig für den Entgiftungsprozess in der Biene ist“, erklärt Dr. Manjon.

 
researchers applied certain insecticides under controlled conditions

Unter kontrollierten Bedingungen verabreichten die Forscher den Bienen bestimmte Insektizide – und verglichen dabei unbehandelte Insekten mit solchen, bei denen ein einzelnes Gen stillgelegt wurde.

Das Gen kodiert ein bestimmtes Enzym – ein Eiweißmolekül, das bestimmte Reaktionen im Stoffwechsel beschleunigt. Es hilft der Honigbiene, das Insektizid innerhalb weniger Minuten abzubauen, so schnell, dass das Insektizid seine Wirkung nicht entfalten kann.

Dr. Manjon konnte sogar ausmachen, wo das Enzym wirkt: „überraschenderweise findet der Abbau von einigen Insektiziden nicht im Mitteldarm statt wie bei den meisten Insekten. Stattdessen werden sie in den Nervenzellen des Gehirns und den Malpighischen Gefäßen – den „Nieren“ der Insekten metabolisiert und abgebaut.“

Die Ergebnisse aus Dr. Nauens Labor könnten die Entwicklung von Pflanzenschutzmitteln künftig revolutionieren: „Wenn wir die Entgiftungsmechanismen noch besser kennenlernen und verstehen, welche Enzyme und Mechanismen zudem beteiligt sind, können wir Pflanzenschutzmittel viel gezielter entwickeln“, erklärt Dr. Nauen. Die Forscher könnten viel einfacher und früher im Entwicklungsprozess testen und auswählen, welche Wirkstoffe praktisch nicht giftig für Honigbienen sind. Auf diese Weise würde die Herstellung von Pflanzenschutzmitteln um ein Vielfaches effizienter.

Die Toxikologen erforschen weitere molekulare Mechanismen und Werkzeuge, mit denen Honigbienen Pflanzenschutzmittel abbauen. Zum Beispiel wollen sie herausfinden, ob solche Enzyme auch die Auswirkungen einiger anderer Insektizide verringern können. Damit die Forscher nicht wie die Honigbienen Winterruhe halten müssen, führen sie im Herbst und Winter Tests mit einem anderen Insekt durch: „Wir übertragen die interessanten Bienen-Gene in Fruchtfliegen, die dann ebenfalls das entsprechende Enzym produzieren. Auf diese Weise sind wir von der Bienensaison unabhängig und können das ganze Jahr über Tests durchführen“, erklärt Dr. Manjon. Sie und ihre Teamkollegen suchen außerdem noch nach weiteren Enzymen, die Insektizide schnell abbauen. Dr. Nauen: „Wir wollen alle natürlichen Resistenzen und die metabolischen Abwehrmechanismen der Honigbiene kennenlernen. Je mehr wir wissen, was sie von anderen Insekten unterscheidet, desto besser können wir sie in der Landwirtschaft schützen.“

 

Ausblick

Die Sicherheit von Pflanzenschutzmitteln soll auch für andere Bienenarten als die Honigbiene gewährleistet werden. Deshalb kooperiert das Team von Dr. Nauen mit Wissenschaftlern vom Forschungsinstitut Rothamsted Research in England. Dort untersucht man die gleichen biochemischen und genetischen Mechanismen an zwei anderen Bienenarten: der Roten Mauerbiene, einer solitären Wildbienenart, und der Dunklen Erdhummel, die häufig zur Bestäubung in Gewächshäusern eingesetzt wird. Das Team plant, in Zukunft auch weitere Bienenarten wie etwa Stachellose Bienen zu erforschen, die zum Beispiel für die Bestäubung in Brasilien eine große Rolle spielen.

scientists at Rothamsted Research in the UK

Chris Bass, Head of the Bee Toxicogenomics project at Rothamsted Research in the UK

Wildbienen im Visier

Chris Bass ist Leiter des Bee Toxicogenomics- Projekts bei Rothamsted Research in England. Er und sein Team studieren seit Juni 2014 die Resistenzmechanismen zweier Wildbienenarten. Ganz konkret testen sie, wie sich Insektizide wie Neonikotinoide auf die Wildbienen auswirken.

Welchen Schwerpunkt hat Ihre Forschung im Bee Toxicogenomics-Projekt?

Der Hauptschwerpunkt der Arbeitsgruppe von Rothamsted liegt darauf, die Aktivitäten von Bayer mit Honigbienen zu erweitern. Wir erkunden die molekulare Basis der Selektivität von Insektiziden auf weitere Bienenarten – insbesondere die sozial lebende Dunkle Erdhummel (Bombus terrestris) und die Rote Maürbiene (Osmia bicornis). Unser konkretes Ziel ist es, neü Informationen über die Genomik und Transkriptomik (das heißt die Gesamtheit der Boten-RNA-Abschriften, die im Genom produziert werden) zu generieren und die toxikologischen Profile dieser Wildbienenarten mit denen der Honigbienen zu vergleichen. Letztendlich möchten wir die Gene identifizieren und beschreiben, die bei Bienen am Abbau von Insektiziden beteiligt sind.

Inwiefern unterscheiden sich Ihre Forschungsergebnisse von denen mit Honigbienen?

Die Ergebnisse weisen interessante Parallelen auf, jedoch konnten wir auch einige Unterschiede feststellen: Es wurde deutlich, dass die Bienenarten sehr unterschiedlich sensibel auf verschiedene Insektizide derselben Klasse reagieren – so wie es auch bei den Honigbienen gezeigt wurde. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass es möglich ist, schädlingsspezifische Insektizide zu entwickeln, die für diese Bienenarten ungefährlich sind. Dafür müssen wir die molekulare Grundlage der beobachteten Selektivität verstehen. Weitere Ähnlichkeiten zwischen den Bienenarten haben wir bei den Enzymfamilien festgestellt, die die weniger toxischen Verbindungen metabolisieren. Die spezifischen Gene, die daran beteiligt sind, unterscheiden sich dagegen. Wir sind von den bisherigen Resultaten begeistert. Die Ergebnisse für die Osmia bicornis haben wir äußerst schnell erzielt. Das zeigt, wie leistungsstark die neun Sequnzierungstechnologien, die es seit einigen Jahren gibt, geworden sind. Mit ihnen lassen sich schneller als je zuvor ganze Insekten-Transkriptome charakterisieren, Genom-Entwürfe in Nicht-Modellorganismen, die normalerweise wenig erforscht sind, herstellen – und ganze überfamilien von Genen identifizieren, die bei den Insekten an der Entgiftung beteiligt sind.

Worin bestehen die nächsten Schritte des Projekts?

Wir haben bisher riesige Mengen an Daten und neün Informationen gesammelt, die wir so schnell wie möglich veröffentlichen möchten. Darüber hinaus werden wir anfangen, die molekulare Basis der Spezifität anderer Insektizid-Klassen, bei denen wir eine Selektivität beobachtet haben, zu untersuchen. Das gewonnene Wissen möchten wir umsetzen und schnelle, benutzerfreundliche Untersuchungsmethoden entwickeln. Diese sollen zukünftig als Screening-Tools bei der Entwicklung neuer, für Bienen ungefährlicher Insektizide eingesetzt werden.

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