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23.12.2017

Biologika für die Landwirtschaft

Biomoleküle oder Zellen als Wirkstoffe sind nicht nur in der Medizin gefragt – sie können auch für gesündere und leistungsfähigere Pflanzen, Tiere und Böden sorgen. Biologika sind Produkte, die auf Basis biologischer Wirkmechanismen für eine nachhaltige Landwirtschaft eingesetzt werden. Von Biopestiziden bis Stimulanzien – dieses Dossier erläutert, wie sie funktionieren und welches Potenzial sie haben.

Zuckerrübenwurzel auf einem Acker
Biologische Wirkstoffe machen Pflanzen auf dem Acker robuster und begünstigen ihr Wachstum.
Quelle: 
Pixabay

Extreme Wetterereignisse und der Klimawandel, sich immer schneller ausbreitende Schädlinge und schwankende Erträge sind die großen Herausforderungen des Ackerbaus.  Die konventionelle Landwirtschaft bekämpft Pflanzenschädlinge mit Pestiziden. Zu diesen Pflanzenschutzmitteln zählen Herbizide, Insektizide und Fungizide. Das Problem: meist handelt es sich um Chemikalien, die nicht ohne Nebenwirkungen bleiben und auch Nicht-Zielorganismen treffen. Oftmals entwickeln Schädlingen auch Resistenzen. Ganz ohne Pestizide wird sich auch in Zukunft die Landwirtschaft nicht gestalten lassen. Jedoch wenden sich Forscher zunehmend sogenannten Biologika als Alternative zu. Biologika basieren auf biologischen Molekülen und sie entfalten eine hochspezifische Wirkung. Dieses Dossier beleuchtet die vielfältigen Einsatzgebiete von Biologika auf dem Acker, sowie ihr enormes Potenzial für die Zukunft einer nachhaltigen Landwirtschaft.

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Was sind Biologika?

Biologika sind komplexe biologische Wirkstoffmoleküle – das grenzt sie von den chemisch klar definierten kleinen Molekülen ab, die durch synthetische Chemie hergestellt werden und die in der Pharmaindustrie den Großteil der Arzneimittel ausmachen. Biologika sind Naturstoffe – sie können aus Proteinen oder Nukleinsäuren (DNA oder RNA) bestehen und werden durch biotechnologische Herstellungsverfahren auf der Basis lebender Organismen gewonnen. In der Landwirtschaft werden Biologika dazu eingesetzt, die Abwehr der Pflanzen zu verbessern oder aber, um ihr Wachstum zu steigern.

In der Medizin werden Biologika etwa als Antikörper gezielt gegen körpereigene Entzündungsreaktionen, wie bei rheumatischen Erkrankungen oder aber zur Behandlung von Krebserkrankungen eingesetzt. Nachdem sie die medizinische Behandlung revolutioniert haben, treten Biologika nun auch in der Landwirtschaft ihren Siegeszug an, um hier die synthetischen Pestizide zu ersetzen. Obwohl der Begriff „Biologika“im landwirtschaftlichen Bereich noch recht neu ist, ist die eigentliche Anwendung von biologischen Mitteln gegen Schädlinge altbekannt: bereits 400 v. Chr. wurden Pflanzenextrakte verwendet, um Insekten abzuwehren, und Mikroben kommen seit dem frühen 20. Jahrhundert zum Einsatz. Das erste mikrobielle Pestizid stammte von Bacillus thuringiensis – seine kristallinen Bt-Proteine werden auch heute noch als Insektizide eingesetzt.

Biologika werden sowohl für die Medizin als auch in der Landwirtschaft mit modernsten biotechnologischen Methoden und gezielt für eine bestimmte Funktion hergestellt. Sie sollen in spezielle molekularbiologische Prozesse in den Zellen eingreifen, und diese stoppen. Dementsprechend handelt es sich bei Biologika um komplexe Biomoleküle, oder Proteine, die per Schlüssel-Schloss-Prinzip an ausgesuchte Moleküle binden, und deren Funktion so lahmlegen. Diese zielgerichteten Wirkstoffe stammen aus biologischen Ressourcen und können beispielsweise aus dem Bakterium Escherichia coli, Hefekulturen, Pilzen oder Pflanzen gewonnen werden.

Pflanzenpathogene bedrohen bis zu 50% der globalen Ernte von Getreide – bei einer gleichzeitig steigenden Weltbevölkerung hat dies desaströse Auswirkungen auf weltweite Hungersnöte. Zur Sicherung der Nahrungsmittel werden daher noch immer viele synthetische Pestizide verwendet. Allerdings hat gerade deren übermäßige Verwendung zu einer erhöhten Resistenz der Erreger geführt, und beeinträchtigt außerdem die Gesundheit der Menschen. Sogenannte Biopestizide haben den Vorteil, dass sie biologisch abbaubar sind und sie im Idealfall nur gezielt gegen die schädlichen Organismen wirken.

Allerdings wurden biologische Lösungen im Kampf gegen Schädlinge bisher meist als ineffizient angesehen. Landwirte kennen und vertrauen den Ergebnissen herkömmlicher Pestizide, während biologische Mittel als „sanft“ und mit geringerer Wirkung gelten. Inzwischen hat aber auch in der Agrarindustrie ein Umdenken eingesetzt. Inzwischen arbeiten bereits viele große Unternehmen wie Bayer und Syngenta an eigenen Biologika Produkten zum Schutz und Steigerung der Ernte.

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Welche Klassen von Biologika für den Acker gibt es?

Auch wenn alle Biologika auf modernsten biotechnologischen Verfahren beruhen, so gibt es doch Unterschiede bezüglich ihres Aufbaus, ihrer Herstellung und ihres Wirkmechanismus. Die wichtigsten Molekülklassen sind:

Proteine: Eiweißmoleküle, die sich für den Einsatz als Biologika eignen, sind Enzyme. Diese Biokatalysatoren beschleunigen biochemische Prozesse. Sie können zum Beispiel eingesetzt werden, um die Bodenfruchtbarkeit zu erhöhen. Auch eine weitere Proteinklasse ist sehr wirksam: Antikörper sind so etwas wie die Lenkwaffen des menschlichen Immunsystems. Sie binden mit hoher Affinität und Spezifität an ein bestimmtes Ziel und schalten es dadurch in ihrer Funktion aus. Auch in der Landwirtschaft wird ihr Einsatz erprobt: eine belgische Firma stellt sogenannte Agrobodies her, also Antikörper-Varianten, die als Fungizide eingesetzt werden können. Hierfür werden Lamas mit Glucosylceramiden immunisiert, sodass sie hiergegen Antikörper bilden. Diese Antikörper werden dann aus dem Blut der Lamas isoliert. Glucosylceramiden sind essenzielle Bestandteile in den Zellwänden fast aller Pilzarten. Binden die Agrobodies an die Pilzzellwände, werden diese zerstört.

RNA-Moleküle: Mithilfe der sogenannten RNA-Interferenz lassen sich gezielt Gene und Stoffwechselprozesse in einem Schädlingsorganismus ausschalten. Die RNA (Ribonukleinsäure) ist eine Abschrift der doppelsträngigen DNA. Sie ist jenes einsträngige Botenmolekül, das die genetische Information der DNA in Proteine umsetzt. Für die Herstellung der RNAi-Mitteln bestimmen Forscher in einem ersten Schritt ein essenzielles Protein, ohne das der Schädlingsorganismus nicht überleben kann. Anschließend bauen sie ein RNA-Molekül nach, welches exakt der Gensequenz dieses Proteins entspricht. Die Anwendung der Biologika erfolgt, indem das synthetische RNA-Molekül auf die Pflanzen gesprüht wird. Wenn der Schädling danach an der Pflanze nagt, nimmt er gleichzeitig auch das synthetische RNA-Molekül auf. Die eigene Immunabwehr des Schädlings attackiert daraufhin die fremde RNA. Da die synthetische RNA Sequenz aber identisch mit der eines essenziellen Proteins des Schädlings ist, wird auch diese Proteinsequenz zerstört. Die Folge: das überlebenswichtige Protein kann nicht mehr gebildet werden und der Schädling stirbt. Der Vorteil: Die RNA-Moleküle werden bereits nach wenigen Tagen abgebaut. Und da sie nur einzelne Gene blockieren, entstehen durch ihren Einsatz keine gentechnisch veränderten Organismen. Die Herstellungsverfahren für maßgeschneiderte RNA-Moleküle müssen effizienter werden. Eine Herausforderung bleibt auch, wie man die RNA-Moleküle am besten zum Wirkort bringt.

Viren: Auch Viren werden im Rahmen des biologischen Pflanzenschutzes verwendet. Baculoviren zum Beispiel befallen verschiedene Insekten – insgesamt wurden bisher 600 verschiedene Wirtsarten beschrieben. Dazu zählen sowohl Schmetterlinge und Käfer, als auch Baumwoll-, Soja- oder Zierpflanzenschädlinge. Der Nachteil dieser Methode: infizierte Insekten sterben nicht sofort ab, sondern schädigen die jeweilige Pflanze noch eine ganze Weile, bevor sie schließlich sterben. Deshalb arbeitet Andermatt daran, rekombinante Viren herzustellen, die zusätzlich Gene für insektenspezifische Toxine enthalten. In ersten Feldtest hat sich dieser Ansatz durchaus bewährt.

Zellen: Auch ganze Zellen werden eingesetzt, die dabei helfen, den Ackerbau und die Pflanzengesundheit zu verbessern. Mikroorganismen werden probiotisch eingesetzt, um das Leben im Ökosystem Wurzel positiv zu beeinflussen. Das Beispiel Hülsenfrüchte: diese versorgen sich selbst mit Stickstoff, in dem sie mit Knöllchenbakterien an ihren Wurzeln in Symbiose leben. Zwar würde dieses Zusammenleben von ganz alleine entstehen, doch die Landwirte helfen meist noch nach: Lupinensamen werden als Saatgut dazu noch mit Knöllchenbakterien ummantelt. Andere agrarbiologisch interessante Zellen sind Pilzgeflechte, die sogenannten Pilzmycelien, mit denen sich Böden beimpfen lassen. Die Pilze gehen mit den Wurzeln eine Symbiose ein, die beiden Organismen hilft, die Bodenfruchtbarkeit zu steigern. Agrarforscher interessieren sich zunehmend auch für die Mikrobiome – also die Gemeinschaft der Mikroorganismen in den Ackerböden. Hier suchen sie nach dem besten Mix für die jeweilige Nutzpflanze.

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Wo Biologika in der Landwirtschaft eingesetzt werden

Ähnlich der Wirkungsweisen sind auch die Einsatzmöglichkeiten von Biologika äußerst vielfältig. Entweder werden sie als Pestizide eingesetzt oder als Wachstumsverbesserer. Dann spricht man von den sogenannten Stimulanzien.

Biopestizide: In der Schädlingsbekämpfung wird unterschieden, ob die Biomoleküle gegen Viren, Insekten, Unkräuter (Herbizide) oder Pilzbefall (Fungizide) eingesetzt werden. Ausschalten von Pathogenitätsfaktoren bei Pilzen mittels RNAi. Ausschalten von Stoffwechselwegen. So experimentiert Bayer-Monsanto beispielsweise mit RNA-Molekülen und RNAi auf dem Gebiet der Herbizide, Viruzide und Insektizide. In Nordamerika bekämpft Monsanto mit der RNAi-Technik bereits Blattkäfer, die jährlich enorme Schäden an der Rapsernte anrichten. Das Schweizer Unternehmen Andermatt Biocontrol bietet wirtspezifische Viren als Abwehrmittel gegen Obst- und Gemüseschädlinge an. Die belgische Firma Agrosavfe NV aus Gent stellt Agrobodies als kleinere Varianten von Antikörpern her. Die Agrobodies werden vor allem als Fungizide gegen Pilzkrankheiten eingesetzt.

Biostimulanzien: das sind Biomoleküle, die das pflanzliche Wachstum ankurbeln. Wird eine Pflanze etwa mit fertigen Aminosäuren oder Peptiden versorgt, spart das für sie Energie, welche direkt in das Wachstum der Pflanze umgesetzt werden kann. Die chemische Synthese von Aminosäuren ist jedoch immer noch relativ teuer, deshalb werden sie meist mittels enzymatischer Hydrolyse aus Ernterückständen oder Fischgrätenabfall gewonnen.

Die italienische Firma Valagro verwendet ein Biostimulans für Kirschen, Trauben, Kiwis und Äpfel. Das Mittel enthält ausgewählte Diterpene und Polysaccharide und ist mit Calcium und Stickstoff angereichert. Es beeinflusst die Stoffwechselprozesse der Pflanzen und führt so eine synchronisierte Keimung herbei. Dadurch werden weniger Blindknospen gebildet, wodurch die Produktivität der Pflanze erhöht wird. Diese Methode zur Herbeiführung einer synchronisierten Keimung bietet sich vor allem dort an, wo sich die Wetterverhältnisse von Jahr zu Jahr ändern, so dass es beispielsweise mal einen sehr kalten Winter und dann wieder einen sehr milden Winter gibt.

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Forschungslandschaft

Zum Thema Biologika auf dem Acker wird hierzulande sowohl an akademischen Forschungseinrichtungen, an Ressortforschungseinrichtungen des Bundes und in den Agrarunternehmen geforscht. Im Norden Deutschlands liegt ein solcher Forschungsschwerpunkt der Biologika an der Universität Hamburg. In der Abteilung für Entwicklungsbiologie und Biotechnologie unter der Leitung von Horst Lörz wird vor allem an der Entschlüsselung der intrinsischen genetischen Resistenz von Weizen gegenüber Pilzerkrankungen geforscht.

Karl-Heinz Kogel an der Universität Gießen forscht am Institut für Phytopathologie und Angewandte Zoologie an der innovativen und nachhaltigen RNA-Interferenz Technik als biologische Pflanzenschutzalternative. Erst kürzlich veröffentlichte er zusammen mit seinem Team die Ergebnisse eines vielversprechenden Projekts im Fachjournal „PLOS Pathogens“. Darin beschreibt er, wie das Einsprühen von Gerste mit einem speziellen RNAi-Spray das Wachstum eines schädlichen Pilzes eindämmen hilft. Auch am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzengenetik (IPK) in Gatersleben wird zu Biologika geforscht. An der Universität Hohenheim beschäftigt sich Michael Kruse am Institut für Pflanzenzüchtung, Saatgutforschung und Populationsgenetik mit dem Thema. Hier liegt der Fokus vor allem auf der Entwicklung und Erprobung neuer Strategien mittels biotechnologischer Verfahren. Vor Ort werden nahezu alle wichtigen landwirtschaftlichen Kulturpflanzen erforscht: Mais, Roggen Sonnenblume, Ackerbohne, Lupine, Weizen, Dinkel und Futterpflanzen. Dabei steht vor allem die Resistenzzüchtung gegen Schädlinge, Trockenheit und Nährstoffmangel im Fokus.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert seit 2013 das Deutsche Pflanzenphänotypisierungs-Netzwerk (DPPN) mit Hauptstandort am Forschungszentrum Jülich. Hier wird eine Hochdurchsatzanlage zur Durchmusterung von Pflanzen etabliert. Erkenntnisse, die hier – in Kooperation mit Forschern am Helmholtz-Zentrum München und am IPK in Gatersleben gesammelt werden, sollen unter anderem in die Biologika-Entwicklung einfließen. Seit Herbst 2016 sind Bayer und das Forschungszentrum Jülich zudem über eine fünfjährige Forschungskooperation mit dem Titel „Phenotyping for Products“ (P4P) miteinander verbunden. Das Ziel der Allianz: unter anderem sollen die Auswirkungen von Biologika auf die Morphologie und Leistung von Pflanzen mittels neuester Phänotypisierungsmethoden untersucht werden. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf die Kräftigung der Wurzeln durch den Einsatz von Biologika liegen.

Das französische Start-up Plant Advanced Technologies (PAT) hat ebenfalls ein Augenmerk auf die Wurzeln der Pflanzen gerichtet – die Forscher wollen sie „melken“, ohne die Pflanze zu zerstören. Im Wurzelsaft sucht PAT nach interessanten unbekannten Molekülen. Im September 2016 unterzeichnete die BASF mit PAT eine Kooperationsvereinbarung für neuartige Entwicklungen im Pflanzenschutz.

Monsanto und Heck entwickeln RNA-Interferenz-Wirkstoffe gegen das Braunwerden von Äpfeln, aber auch für Tomaten mit besserem Geschmack. Ihr Ziel ist es, diese charakteristischen Pflanzeneigenschaften über eine simple Spritzbehandlung zu verbessern. Die Forschung steht hier allerdings noch am Anfang, und auch die Produktion ist nicht ganz reibungslos: es ist noch schwierig, die RNA lange genug in Sprühflaschen stabil zu halten, bevor sie zu dem jeweiligen Organismus gelangen. Des Weiteren muss vor einer Zulassung für den Markt auf Grund der Spritzverabreichung das ökologische Risiko für andere Organismen sowie für den Menschen eindeutig geklärt werden. Zusätzlich arbeitet Monsanto auch an einem biologischen Schutz vor der Varroa-Milbe, die vor allem für Bienen extrem schädlich sind. Momentan entwickelt Monsanto ein RNA-Interferenz-Zuckerwasser-Gemisch. Der Plan: in etwa fünf Jahren sollen die Bienen einfach von dem Gemisch trinken und dann gegen die Milbe immun sein.

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Wirtschaftliches Potenzial

Das noch junge Forschungsfeld der Agrar-Biologika bietet enormes Marktpotenzial. Der Markt der Biologika und vor allem der Biopestizide wächst unaufhaltsam. Analysten bei Lux Research prognostizieren, dass der Biopestizidmarkt den synthetischen Pestizidmarkt in den nächsten etwa 30 Jahren überholen wird. Das Wachstum basiert vor allem auf der steigenden Nachfrage nach ökologischem Landbau. Und das, obwohl die Mehrheit der Biopestizide immer noch in Kombination mit konventionellen (chemischen) Pestiziden in sogenannten „Integrated Pest Management“ (IPM)-Programmen verwendet wird. Doch mit zunehmenden Forschungserkenntnissen, werden die Biopestizide vermutlich schon in naher Zukunft nahezu 100% biobasiert sein.

Immer mehr Start-up-Unternehmen wie auch Großindustrie haben ihre Aktivitäten in diesem Bereich ausgebaut. Anfang 2008 begann die Agrochemieindustrie, in das Feld der Biologika zu investieren. Bis zum Jahr 2010 hatten die meisten großen Unternehmen ihre eigene Pipeline von Produkten durch Zukäufe von Biologika-Anbietern erweitert.

Bei Bayer Crop Science wird der Forschungsbereich der Biologika bereits seit 2009 ausgebaut. Bayer hat ein Produktportfolio, das biologische Fungizide, ein Insektizid und ein Nematizid umfasst und die integrierte Schädlingsbekämpfung unterstützt.  Zusätzlich setzt Bayer mit dem Forschungsbereich Crop Efficiency auch auf ein gesteigertes Ertragspotenzial beispielsweise bei Weizen, basierend auf einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen abiotische Umweltfaktoren wie Boden- oder Lichtverhältnisse.

2011 kaufte die dänische Novozymes die US-basierte EMD/Merck Crop Bioscience für 275 Mio. US-Dollar von der Merck KGaA kaufte. Der weltweit führende Hersteller industrieller Enzyme hatte bereits 2007 das landwirtschaftliche Biosolutions-Geschäft betreten. Doch Novozymes wurde erst nach der größten Übernahme in der Firmengeschichte zu einem anerkannten Spieler im Feld. Um die Entwicklung zu beschleunigen, haben sich Novozymes und Monsanto in der „BioAg Alliance“ zusammengeschlossen, um mikrobielle Lösungen zu entwickeln, die die Landwirtschaft verändern sollen. In der Allianz sorgt Fermentationsspezialist Novozymes für das Scale-up und die Produktion von mikrobiellen Produkten. Monsanto wiederum testet sie im Feld und ist verantwortlich für die Registrierung und Vermarktung der daraus resultierenden Produkte. Ein weiterer bemerkenswerter Deal war der Kauf von Becker Underwood durch BASF für 785 Mio. Euro im Jahr 2012. Die US-Firma waren ihre vorteilhaften Nematoden – mikroskopisch kleine Fadenwürmer, die Schädlinge wie Rüsselkäfer und Motten in Schach halten können. Auch für Investoren wird das Feld offenbar zunehmend attraktiv: so stieg im März 2017 der französische Wagniskapitalgeber Sofinnova Partners offiziell als Investor beim belgischen Unternehmen Agrosafve und seinen Agrobodies ein.

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Rechtliche und regulatorische Aspekte

Gerade im Vergleich zu konventionellen Pestiziden wie Glyphosat und gentechnisch veränderten Organismen dürften Biologika vor allem bei den Konsumenten auf breitere Akzeptanz stoßen. Die Landwirte hingegen geben sich noch skeptisch. Das rührt vor allem von den Anfängen der biobasierten Pflanzenschutzmittel, deren Wirkung nicht immer ausreichte um Schädlinge damit zu kontrollieren. Doch inzwischen sind viele der biologischen Herbizide, Fungizide und Insektizide mindesten so wirkungsvoll wie ihre chemischen Pendants. Auch aus der Politik bekommen die Biopestizide mittlerweile Rückenwind: Im Frühjahr 2017 hat das Europäische Parlament die EU-Kommission aufgefordert, bis Ende 2018 einen Gesetzgebungsvorschlag vorzulegen, mit dem ein Schnellverfahren für die Bewertung, Zulassung und Registrierung von Pestiziden biologischen Ursprungs mit geringem Risiko eingeführt wird. Bisher sind allerdings nur sieben Biologika, die als Wirkstoffe mit geringem Risiko eingestuft wurden, in der EU genehmigt worden.

Redaktion: Judith Reichel, Philipp Graf

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