Germany
October 19, 2011
Toxins from Bacillus thuringiensis bacteria (Bt toxins) are used in organic and conventional farming to manage pest insects. Sprayed as pesticides or produced in genetically modified plants, Bt toxins, used in pest control since 1938, minimize herbivory in crops, such as vegetables, maize or cotton. Since 1996, Bt producing transgenic crops have been grown, which successfully control pests like the European corn borer, the tobacco budworm, the Western corn rootworm, and the cotton bollworm. Over the years, Bt resistant insects have emerged in organic and conventional farming. Scientists have therefore modified the molecular structure of two Bt toxins, Cry1Ab and Cry1Ac, in order to overcome resistance. The novel toxins, Cry1AbMod and Cry1AcMod, are effective against five resistant insect species, such as the diamondback moth, the cotton bollworm, and the European corn borer. Cry1AbMod and Cry1AcMod can be used alone or in combination with other Bt toxins for plant protection.
New insights into the mechanisms of action of Cry1Ab and Cry1Ac served as the basis for development of the modified Bt toxins. The primary question had been why the Cry proteins, which naturally occur in B. thuringiensis, have such a resoundingly toxic effect on many different herbivorous insects. Researchers had previously found a protein in the caterpillars’ midgut that binds Bt toxins – with fateful consequences for the insects, because binding the toxins causes the gut cells to die. This protein is one of the many types of cadherin proteins in the cell. Mutations of a specific cadherin can make the caterpillars resistant against the toxins.
“When we studied the new Bt toxins in twelve resistant and non-resistant strains of five major pest species, the results of our experiments were encouraging but surprising. The new toxins are also effective against strains whose Bt resistance is not based on cadherin mutations,” says David G. Heckel, director of the Department of Entomology at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena, Germany, and co-author of the study. Especially interesting was the finding that the new toxins were specifically effective against a super-resistant strain of tobacco budworm carrying both the cadherin mutation and another mutation affecting an ABC transporter which was discovered by the Max Planck researchers last year.
Particularly striking was the effect of Cry1AbMod and Cry1AcMod on a Bt resistant corn borer and a resistant diamondback moth strain that was 350 times stronger compared to that of the natural toxins. On the other hand, the new toxins had only a weak effect on some strains whose Bt resistance is due to a mutated cadherin.
If both novel Bt toxins prove to be useful in agriculture, they can be used in combination with different Bt toxins to guarantee a reliable effect on herbivorous pests. Biologists also agree that measures to reduce the occurrence of resistant insect pests must be strictly adhered to and that farmers should be informed in detail. Such measures would mainly include the use of different pesticides, crop rotation, and simultaneous sowing of non-Bt plants in fields, where transgenic Bt varieties are grown.
Neue Bakterien-Toxine gegen resistente Pflanzenschädlinge - Wissenschaftler entwickeln Bt-Toxine, mit denen auch resistente Maiszünsler bekämpft werden können
Toxine aus dem Bakterium Bacillus thuringiensis (Bt-Toxine) werden im ökologischen und konventionellen Landbau gegen Raupen eingesetzt. Als Pflanzenschutzmittel versprüht oder in gentechnisch veränderten Pflanzen erzeugt, minimieren sie Fraßschäden in Gemüse, Mais oder Baumwollkulturen. Bt-Toxine sind seit 1938 im Einsatz, seit 1996 wirken sie in transgenen Nutzpflanzen erfolgreich gegen Maiszünsler, Maiswurzelbohrer, Baumwollkapselwurm und die amerikanische Tabakeule - eine Mottenart. Im Laufe der Jahre haben sich Bt-resistente Schädlinge im organischen und konventionellen Landbau entwickelt. Wissenschaftler haben daher die Bt-Toxine Cry1Ab und Cry1Ac in ihrer molekularen Struktur verändert, um die Resistenz zu umgehen. Die neuartigen Toxine Cry1AbMod und Cry1AcMod wirken gegen fünf resistente Raupenarten, darunter Kohlmotte, Baumwollkapselwurm und Maiszünsler. Cry1AbMod und Cry1AcMod könnten allein oder in Kombination mit anderen Bt-Toxinen im Pflanzenschutz eingesetzt werden.
Die Grundlage für die Entwicklung der modifizierten Bt-Toxine beruht auf Ergebnissen zum Wirkmechanismus von Cry1Ab und Cry1Ac . Warum haben die in B. thuringiensis natürlich vorkommenden Cry-Proteine eine solche durchschlagende giftige Wirkung gegen viele verschiedene pflanzenfressende Insekten? Schon vor einigen Jahren fanden Forscher im Darm von Raupen ein Bt-Toxin bindendes Protein; die Bindung löst das Absterben der Darmzellen und damit den schnellen Tod der Schädlinge aus. Es handelt sich um so genannte Cadherine. Mutationen eines bestimmten Cadherins können Raupen gegen das Toxin resistent machen.
"Erstaunt waren wir allerdings über die Ergebnisse unserer Experimente, in denen wir zwölf resistente und nicht-resistente Stämme aus fünf bedeutenden Schädlingsarten überprüft haben: Die neuen Bt-Toxine wirkten nämlich auch gegen Stämme, deren Bt-Resistenz nicht auf Cadherin-Mutationen basiert", so David G. Heckel, Direktor der Abteilung Entomologie am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und Ko-Autor der Studie. Besonders auffallend war eine 350-fach stärkere Wirkung verglichen mit den natürlichen Toxinen Cry1Ab und Cry1Ac gegen einen Bt-resistenten Maiszünsler und einen resistenten Kohlmottenstamm.
Dazu kam die ebenso interessante Beobachtung, dass die neuen Toxine sich als effektiv gegen einen resistenten Stamm der amerikanischen Tabakeule (Heliotis virescens) erwiesen, der zwar eine Cadherin-Mutation besitzt, jedoch zusätzlich auch eine resistenzvermittelnde Mutation in einem molekularen Transportprotein aufweist. Umgekehrt wirkten die neuen Toxine nur schwach gegen einige Stämme, deren die Bt-Resistenz nur auf verändertem Cadherin beruht.
Würden sich die beiden neuartigen Bt-Toxine im Landbau als brauchbar erweisen, so sollten verschiedene Bt-Toxine in Kombination eingesetzt werden, um den Landwirten eine sichere Wirkung gegen Fraßschädlinge zu garantieren. Auch sind sich die Biologen darüber einig, dass Maßnahmen zur Verminderung des Auftretens resistenter Schädlinge konsequent eingehalten und die Landwirte darüber ausführlich informiert werden sollten. Dazu gehören vor allem die Anwendung unterschiedlicher Pflanzenschutzmittel gegen Insektenfraß, Fruchtfolgen und ein paralleles Aussäen von nicht-Bt-Pflanzen in Feldern, in denen transgene Bt-Sorten zum Einsatz kommen.
Foto: Amerikanische Tabakeule (Heliothis virescens) © Melanie Marr, MPI Chemische Ökologie
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