Pocket K Nr. 10: Herbizid-Toleranztechnologie: Glyphosat und Glufosinat

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Unkräuter sind ein ständiges Problem auf den Feldern der Landwirte. Unkräuter konkurrieren nicht nur mit den Nutzpflanzen um Wasser, Nährstoffe, Sonnenlicht und Platz, sondern beherbergen auch Insekten und Krankheiten, verstopfen Be- und Entwässerungssysteme, beeinträchtigen die Qualität der Ernte und bringen Unkrautsamen in die Ernten ein. Unkontrolliert können Unkräuter die Ernteerträge erheblich verringern.

Landwirte können Unkräuter mit Bodenbearbeitung, manuellem Jäten, Herbiziden oder typischerweise mit einer Kombination aus allen Techniken bekämpfen. Leider wird bei der Bodenbearbeitung wertvoller Mutterboden der Wind- und Wassererosion ausgesetzt, was auf lange Sicht schwerwiegende Folgen für die Umwelt hat. Aus diesem Grund bevorzugen immer mehr Landwirte reduzierte oder pfluglose Anbaumethoden.

Gleichermaßen haben viele argumentiert, dass der starke Einsatz von Herbiziden zu einer Verunreinigung des Grundwassers, dem Tod verschiedener Wildtierarten geführt hat und auch mit verschiedenen Krankheiten bei Mensch und Tier in Verbindung gebracht wird.

Praktiken zur Unkrautbekämpfung

Die Tandemtechnik aus Bodenbearbeitung und Herbizideinsatz ist ein Beispiel dafür, wie Landwirte das Unkraut in ihren Betrieben bekämpfen.

Gemeinsam bearbeiten sie den Boden vor der Aussaat, um die Anzahl der Unkräuter auf dem Feld zu reduzieren. Dann wenden sie Breitspektrum- oder nicht-selektive Herbizide an (die alle Pflanzen abtöten können), um das Unkrautwachstum weiter zu reduzieren, kurz bevor ihre Ernte keimt. Damit soll verhindert werden, dass die Pflanzen zusammen mit dem Unkraut abgetötet werden. Unkräuter, die während der Wachstumsperiode auftauchen, werden mit Schmalband- oder selektiven Herbiziden bekämpft. Leider tauchen auf dem Feld Unkräuter unterschiedlicher Art auf, so dass die Landwirte mehrere Arten von Schmalbandherbiziden einsetzen müssen, um sie zu bekämpfen. Diese Methode der Unkrautbekämpfung kann sehr kostspielig sein und die Umwelt belasten.

Forscher postulierten, dass die Unkrautbekämpfung vereinfacht werden könnte, indem ein einziges Breitspektrum-Herbizid zu jeder Zeit während der Vegetationsperiode über das Feld gesprüht wird.

Entwicklung von Glyphosat- und Glufosinat-Herbizid-toleranten Pflanzen

Herbizid-tolerante (HT) Pflanzen bieten Landwirten ein wichtiges Werkzeug bei der Unkrautbekämpfung und sind mit Direktsaat-Methoden kompatibel, die zur Erhaltung des Mutterbodens beitragen. Sie geben den Landwirten die Flexibilität, Herbizide nur bei Bedarf einzusetzen, den Gesamteinsatz von Herbiziden zu kontrollieren und Herbizide mit bevorzugten Umwelteigenschaften zu verwenden.

Hintergrund der Technologie

Wie wirken diese Herbizide?
Diese Herbizide zielen auf Schlüsselenzyme im pflanzlichen Stoffwechselweg ab, die die pflanzliche Nahrungsproduktion stören und sie schließlich abtöten. Wie also erlangen Pflanzen eine Toleranz gegenüber Herbiziden? Einige haben die Eigenschaft durch Selektion oder Mutation erworben; oder in jüngerer Zeit können Pflanzen durch Gentechnik verändert werden.

Warum HT-Pflanzen entwickeln?
Was neu ist, ist die Möglichkeit, einen Grad an Toleranz gegenüber Breitspektrum-Herbiziden – insbesondere Glyphosat und Glufosinat – zu schaffen, der die meisten anderen Grünpflanzen kontrolliert. Diese beiden Herbizide eignen sich für die Unkrautbekämpfung und haben nur minimale direkte Auswirkungen auf die Tierwelt, außerdem sind sie nicht persistent. Sie sind hochwirksam und gehören zu den sichersten Agrochemikalien in der Anwendung. Leider sind sie ebenso wirksam gegen Nutzpflanzen. Daher werden HT-Pflanzen so entwickelt, dass sie einen gewissen Grad an Toleranz gegenüber diesen Herbiziden aufweisen.

Wie funktionieren Glyphosat- und Glufosinat-HT-Pflanzen?

1. Glyphosat-tolerante Pflanzen
Das Herbizid Glyphosat tötet Pflanzen ab, indem es das EPSPS-Enzym blockiert, ein Enzym, das an der Biosynthese von aromatischen Aminosäuren, Vitaminen und vielen sekundären Pflanzenmetaboliten beteiligt ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Pflanzen so zu modifizieren, dass sie Glyphosat-tolerant sind. Eine Strategie besteht darin, ein Bodenbakterium-Gen einzubauen, das eine glyphosattolerante Form von EPSPS produziert. Eine andere Möglichkeit ist der Einbau eines anderen Bodenbakterien-Gens, das ein Glyphosat-abbauendes Enzym produziert.

2. Glufosinat-tolerante Nutzpflanzen
Glufosinat-Herbizide enthalten den Wirkstoff Phosphinothricin, der Pflanzen abtötet, indem er das Enzym blockiert, das für den Stickstoff-Stoffwechsel und für die Entgiftung von Ammoniak, einem Nebenprodukt des Pflanzenstoffwechsels, verantwortlich ist. Pflanzen, die so verändert wurden, dass sie Glufosinat tolerieren, enthalten ein bakterielles Gen, das ein Enzym produziert, das Phosphinothricin entgiftet und verhindert, dass es Schaden anrichtet.

Andere Methoden, mit denen Pflanzen gentechnisch verändert werden, um die Exposition gegenüber Herbiziden zu überleben, umfassen: 1) die Produktion eines neuen Proteins, das das Herbizid entgiftet; 2) die Modifikation des Zielproteins des Herbizids, so dass es vom Herbizid nicht beeinflusst wird; oder 3) die Produktion von physikalischen oder physiologischen Barrieren, die das Eindringen des Herbizids in die Pflanze verhindern. Die ersten beiden Ansätze sind die gebräuchlichsten Methoden, mit denen Wissenschaftler herbizidtolerante Pflanzen entwickeln.

Sicherheitsaspekte der herbizidtoleranten Technologie

Toxizität und Allergenität
Regierungsbehörden in mehreren Ländern haben entschieden, dass Pflanzen mit Herbizidtoleranz-verleihenden Proteinen im Vergleich zu ihren nicht gentechnisch veränderten Gegenstücken keine weiteren Umwelt- und Gesundheitsrisiken darstellen.

Die eingeführten Proteine werden auf ihre potenzielle toxische und allergene Aktivität in Übereinstimmung mit den von den einschlägigen internationalen Organisationen entwickelten Richtlinien bewertet. Sie stammen aus Quellen, bei denen in der Vergangenheit keine Allergenität oder Toxizität festgestellt wurde; sie ähneln nicht bekannten Toxinen oder Allergenen; und sie haben Funktionen, die gut verstanden werden.

Auswirkungen auf die Pflanzen
Die Expression dieser Proteine schädigt weder das Wachstum der Pflanze noch führt sie zu einer schlechteren agronomischen Leistung im Vergleich zu den Elternpflanzen. Abgesehen von der Expression eines zusätzlichen Enzyms für die Herbizidtoleranz oder der Veränderung eines bereits vorhandenen Enzyms treten keine weiteren metabolischen Veränderungen in der Pflanze auf.

Persistenz oder Invasivität von Nutzpflanzen
Eine große Sorge für die Umwelt, die mit herbizidtoleranten Nutzpflanzen verbunden ist, ist ihr Potenzial, neue Unkräuter durch Auskreuzung mit wilden Verwandten zu schaffen oder einfach dadurch, dass sie selbst in der freien Natur überleben. Dieses Potenzial wird jedoch vor der Einführung bewertet und auch nach der Aussaat der Kulturpflanze überwacht. Die aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass ohne Herbizidanwendungen die Wahrscheinlichkeit, dass gentechnisch veränderte herbizidtolerante Nutzpflanzen auf landwirtschaftlichen Feldern oder in natürlichen Lebensräumen invasiv sind, nicht größer ist als bei ihren nicht gentechnisch veränderten Gegenstücken (Dale et al, 2002).

Die derzeit auf dem Markt befindlichen herbizidtoleranten Nutzpflanzen zeigen kaum Hinweise auf eine erhöhte Persistenz oder Invasivität.

Vorteile von Herbizid-toleranten Pflanzen

• Exzellente Unkrautbekämpfung und damit höhere Ernteerträge;
• Flexibilität – Unkrautbekämpfung zu einem späteren Zeitpunkt des Pflanzenwachstums möglich;
• Reduzierte Anzahl von Spritzungen in einer Saison;
• Reduzierter Kraftstoffverbrauch (durch weniger Spritzungen);
• Reduzierte Bodenverdichtung (weil man weniger auf das Land gehen muss, um zu sprühen);
• Verwendung von Verbindungen mit geringer Toxizität, die nicht im Boden aktiv bleiben; und
• Die Möglichkeit, Direktsaat oder konservierende Bodenbearbeitung anzuwenden, mit den daraus resultierenden Vorteilen für die Bodenstruktur und die Organismen (Felsot, 2000).

Eine von der American Soybean Association (ASA) durchgeführte Studie über die Häufigkeit der Bodenbearbeitung auf Sojafarmen zeigte, dass eine signifikante Anzahl von Landwirten nach dem Anbau von herbizidtoleranten Sojasorten die Praxis der Direktsaat oder der reduzierten Bodenbearbeitung einführte. Dieser einfache Ansatz zur Unkrautbekämpfung sparte über 234 Millionen Gallonen Kraftstoff und ließ 247 Millionen Tonnen unersetzlichen Mutterboden ungestört.

Aktueller Stand der Herbizidtoleranz

Von 1996 bis 2018 belegten HT-Pflanzen durchweg die größte Anbaufläche von Biotech-Pflanzen. Allein im Jahr 2018 belegten HT-Pflanzen 87,5 Millionen Hektar oder 45 % der 191,7 Millionen Hektar, die weltweit mit Biotech-Pflanzen bepflanzt wurden. Am weitesten verbreitet sind die Glyphosat- und Glufosinat-toleranten Sorten. Die folgende Tabelle zeigt die Länder, die wichtige HT-Pflanzen (mit einzelnen und gestapelten Genen) für Lebensmittel, Futtermittel und/oder den Anbau zugelassen haben.

Quelle: ISAAA GM Approval Database. http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/.

Eine Literaturübersicht des Council for Agricultural Science and Technology kam zu dem Schluss, dass die Umwelt vom Einsatz von HT-Pflanzen profitiert. In den USA beispielsweise ist die Anbaufläche von Direktsaat-Sojabohnen seit der Einführung von HT-Sojabohnen um 35 % gestiegen. Ein ähnlicher Trend ist in Argentinien zu beobachten, wo Sojafelder zu 98 % mit HT-Sorten bepflanzt sind. Das CAST-Papier mit dem Titel „Comparative Environmental Impacts of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn and Cotton Crops“ ist verfügbar unter http://www.cast-science.org.

Für die ersten 21 Jahre der Kommerzialisierung (1996-2016) wird der Nutzen von herbizidtoleranten Pflanzen auf 89,02 Mrd. US$ geschätzt, das sind 47,8 % des globalen Wertes von Biotech-Pflanzen in Höhe von 186,1 Mrd. US$, und allein für 2016 auf 8,44 Mrd. US$ oder 46,4 % des globalen Wertes von 18,2 Mrd. US$.

1. ASA. 2001. ASA-Studie bestätigt Umweltvorteile von Biotech-Sojabohnen. http://www.asa-europe.org/pdf/ctstudy.pdf.
2. Brookes, G. and P. Barfoot. 2018. GM Crops: Global Socio-Economic and Environmental Impacts 1996-2016. PG Economics Ltd, UK. pp 1-204.
3. Carpenter, J.E., A. Felsot, T. Goode, M. Hammig, D. Onstad, and S. Sankula. 2002. Comparative Environmental Impacts of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn, and Crops. http://www.cast-science.org.
4. Carpenter, J.E. und L.P. Gianessi. 2001. Agricultural Biotechnology: Updated Benefits Estimates. National Center for Food and Agricultural Policy. http://www.ncfap.org/documents/updatedbenefits.pdf.
5. Dale, P.J., B. Clarke, und E.M.G. Fontes. 2002. Potential für die Umweltauswirkungen von transgenen Nutzpflanzen. Nature Biotechnology 20(6): 567-574.
6. Extension Toxicology Network. 1996. Pesticide Information Profile, Glyphosate. http://ace.ace.orst.edu/info/extoxnet/pips/glyphosa.htm.
7. Felsot, A.S. 2000. Herbicide Tolerant Genes: Part 1: Squaring up Roundup Ready Crops. Agrichemical and Environmental News 173: 8-15.
8. ISAAA. 2018. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops in 2018. ISAAA Brief No. 54. ISAAA: Ithaca, NY.
9. OECD. 2000. Consensus Document Glyphosate Herbicide Tolerance (Roundup). http://www1.oecd.org/ehs/ehsmono/roundup1.htm.
10. OECD. 2002. Modul II: Herbizid-Biochemie, Herbizid-Metabolismus und die Rückstände in Glufosinat-Ammonium (Phosphinothricin)-toleranten transgenen Nutzpflanzen. http://www.olis.oecd.org/olis/2002doc.nsf/43bb6130e5e86e5fc12569fa005d004c/
    c351fd9d795e54c1c1256bae0051a2a8/$FILE/JT00125605.PDF.

*Aktualisiert März 2020