Leipzig, Germany
April 1, 2015
Photo: André Künzelmann, UFZ
A diverse and species-rich agricultural landscape is also beneficial to farmers. This isn't just because there are plenty of pollinating insects, creepy crawly pest controllers and other useful helpers. Scientists at the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) in Leipzig have come across another effect, which has thus far been unknown: in species-rich habitats, pests don't become resistant to chemical control measures so quickly, according to their publication in the scientific journal Proceedings of the Royal Society B.
Our opponents always seem to be one step ahead. Although pest controllers now have numerous chemical preparations available, allowing them to take action against unwanted insects, the species targeted are developing a resistance against the different active substances at a rapid pace. Often a single change in the organisms' genetic material is enough to do this. This means that scientists know more than 500 pests all over the world currently able to resist a total of 300 different insecticides. Many disease-transmitting mosquitoes defy any attempts to control them just as stubbornly as Colorado potato beetles and other agricultural pests.
On the other hand, other species that weren't being targeted actually suffered much more. Ultimately, pesticides don't just stay in one field, but end up in the bordering fields, woods and water. However, the insects living there develop much less re-sistance. "Over time, these species become two to four times more resistant to the pesticide used," stated Professor Matthias Liess, Head of the Department for System Ecotoxicology at the UFZ. Pests, on the other hand, manage to become between ten and a thousand times more resistant.
The researchers wanted to find out how this discrepancy comes about. "This is of interest from an agricultural point of view, as well as for nature conservation," emphasised Matthias Liess. That's because anybody that understands these processes better, has the possibility of slowing down the spread of resistance among our creepy crawly opponents. This wouldn't just enable us to combat them more effectively. It would also mean that less pesticides are required that are dangerous to other species.
So what makes pests of all things such adaptable survival artists? The researchers had their suspicions where that was concerned. It was typically the organisms that settled in new habitats and were able to multiply rapidly. Mass reproduction of pests in this way does, however, soon lead to intensive rivalry between the creatures. It's this rivalry that could encourage the development of resistance. This is because pesticides don't just kill a proportion of the insects, but weaken those that survive as well. "That doesn't apply to resistant creatures though," explained biologist Jeremias Becker, "They now have the advantage over their weakened conspecifics and can take valuable resources away from them." That's why strong rivalry can mean that resistant pests supersede their susceptible conspecifics more quickly.
On the other hand, the situation is different for many insects, which live in the bordering fields or in the water, instead of in the crops themselves. They are part of a diverse community, in which they have other challenges to overcome too. Predators and rival species restrict multiplication and rivalry too as a result within one species. The creatures that are not resistant benefit from this according to the motto, "the en-emy of my enemy is my friend." Therefore in a diverse community, resistant creatures can't play off their advantage over their susceptible conspecifics so well. "This means that the gap is constantly getting bigger," explained Matthias Liess. "The pests in the crops are becoming more and more resistant to pesticides, but their neighbours in the bordering fields and in the water aren't."
UFZ researchers have tested whether this theory is correct in laboratory trials using the mosquito species Culex quinquefasciatus. These relations to the common mosquito live in the tropics and subtropics and transmit diseases dangerous to humans and animals from avian malaria to the West Nile virus. "These creatures can be kept particularly well in the lab," explained Matthias Liess. "That's why they are often used as representatives for other mosquito species."
At the beginning of the trial, there were 400 larvae of these creatures swimming in the researcher's tanks at a time. Three-quarters of them contained the genetic mate-rial of one or even two copies of a pesticide resistance gene called ace-lR. The other quarter had to manage without this genetic information and were therefore not resistant. The individual populations were regularly treated with the insecticide Chlorpyrifos and also confronted with different living conditions. Four of them had to share their tanks with water fleas, which gave them competition and restricted the population growth. With four others, the researchers removed ten to twenty percent of the larvae twice a week, in order to simulate the influence of predators. The surviving mosquitoes in this population lived plentifully without having to grapple with other organisms. In the final four populations, the insects were allowed to multiply uninterrupted and soon faced intense rivalry. The researchers then observed how the frequency of resistance genes changed over six generations of mosquitoes – a process, biologists refer to as "microevolution".
As a result, the quickest transformation was experienced by the populations without predation and interspecific competition species. The proportion of mosquitoes with a resistance gene rose from 75 to 95 percent over the course of the trial. "In these populations, creatures only had to prevail against competition from their own ranks," explained Matthias Liess. Small differences in genetic material can bring crucial ad-vantages, especially when resources are low. That's why rivalry among conspecifics accelerates microevolution. On the other hand, the situation looks very different when competing species like water fleas or predators such as researchers catching larvae come into play. In both cases, the resistance gene spread significantly more slowly in the populations under the influence of pesticide.
However, if there was no insecticide in the water, the same mechanisms ensured that the populations quickly lost their resistance gene again without enemy species. If they weren't confronted with the poisonous preparation at all, this genetic trait would ultimately bring them no benefits, only disadvantages, as resistance comes at a price. That means resistant creatures must invest in additional enzymes, for example, which are able to break down the pesticide. The energy they require for this is then lacking for other tasks. For example, it often leads to resistant creatures experiencing poorer growth. When there's stronger rivalry, only 40 instead of 75 percent percent of mosquitoes hold the resistance gene after six generations. However, water fleas and predators delayed this development too. Additional challenges like these really do seem to slow down microevolution.
The scientists anticipate that these effects constitute a fundamental principle and therefore apply to all habitats and species. "This could possibly result in new approaches towards pest control being deduced," said Matthias Liess. This means that the increase in biodiversity with competitors and predators of harmful organisms will reduce the development of resistance. If harmful organisms try to penetrate fields, they will therefore be easier to tackle using lower levels of pesticide. "Whether this will work in practice, however, must be investigated first," emphasised Matthias Liess. However, there is one thing he does not doubt: as well as bringing wide ecological advantages, species diversity also makes easier pest control.
Publication
Becker JM, Liess M. 2015
Biotic interactions govern genetic adaptation to toxicants. Proc. R. Soc. B 20150071.
http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2015.0071
Vielfalt verhindert Resistenzen - In artenreichen Lebensräumen lassen sich Schädlinge deshalb leichter bekämpfen
Eine vielfältige und artenreiche Agrarlandschaft nützt auch den Landwirten. Und zwar nicht nur, weil es dort reichlich blütenbestäubende Insekten, krabbelnde Schädlingsbekämpfer und andere nützliche Helfer gibt. Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig sind einem weiteren, bisher unbekannten Effekt auf die Spur gekommen: In artenreichen Lebensräumen werden Schädlinge nicht so schnell resistent gegen chemische Bekämpfungsmittel, berichten die Forscher im Fachjournal Proceedings of the Royal Society B.
Die Gegner scheinen immer einen Schritt voraus zu sein. Zwar haben Schädlingsbekämpfer inzwischen zahlreiche chemische Präparate zur Verfügung, mit denen sie gegen unerwünschte Insekten vorgehen können. Doch die anvisierten Arten entwickeln in rasantem Tempo Resistenzen gegen die verschiedenen Wirkstoffe. Oft genügt dazu eine einzige Veränderung im Erbgut der Organismen. So kennen Wissenschaftler weltweit mittlerweile mehr als 500 Plagegeister, die insgesamt 300 unterschiedlichen Insektiziden widerstehen können. Viele krankheitsübertragende Mücken trotzen den Bekämpfungsversuchen ebenso hartnäckig wie Kartoffelkäfer und andere Landwirtschaftsschädlinge.
Viel stärker haben dagegen andere Arten gelitten, die eigentlich gar nicht im Fadenkreuz standen. Schließlich bleiben Schädlingsbekämpfungsmittel nicht nur auf dem Acker, sondern gelangen auch in angrenzende Feldraine, Wälder und Gewässer. Die dort lebenden Insekten aber entwickeln bei weitem nicht so starke Resistenzen. „Diese Arten werden im Laufe der Zeit vielleicht zwei- bis viermal unempfindlicher gegen das eingesetzte Pestizid“, sagt System-Ökotoxikologe Prof. Matthias Liess. Schädlinge dagegen schaffen es durchaus, zwischen zehn- und tausendmal resistenter zu werden.
Die Forscher wollten herausfinden, wie diese Diskrepanz zustande kommt. „Das ist sowohl für die Landwirtschaft als auch für den Naturschutz interessant“, betont Matthias Liess. Denn wer diese Prozesse besser versteht, kann möglicherweise die Ausbreitung von Resistenzen bremsen. Dann könnten Schädlinge nicht nur wirksamer bekämpft werden. Man bräuchte dazu auch weniger Pestizide, die für andere Arten gefährlich sind.
Was also macht ausgerechnet die Schädlinge zu so anpassungsfähigen Überlebenskünstlern? Typischerweise handelt es sich um Organismen, die sehr schnell neue Lebensräume besiedeln und sich rasant vermehren können. Auf eine solche Massenvermehrung von Schädlingen folgt dann allerdings bald eine intensive Rivalität zwischen diesen Tieren. Und genau dieser Konkurrenzkampf könnte die Entwicklung von Resistenzen fördern. Denn Pestizide töten nicht nur einen Teil der Insekten, sie schwächen auch die Überlebenden. „Das gilt allerdings nicht für resistente Tiere“, erklärt Biologe Jeremias Becker. „Die sind daher nun gegenüber ihren geschwächten Artgenossen im Vorteil und können ihnen wertvolle Ressourcen wegnehmen." Bei starker Rivalität können resistente Schädlinge daher ihre empfindlichen Artgenossen schneller verdrängen.
Anders ist die Situation dagegen für viele Insekten, die statt auf dem Acker in den angrenzenden Feldrainen oder Gewässern leben. Sie sind Teil einer vielfältigeren Gemeinschaft, in der sie auch noch andere Herausforderungen zu meistern haben. Räuber und konkurrierende Arten begrenzen die Vermehrung und damit die Rivalität innerhalb einer Art. Davon profitieren die nicht-resistenten Tiere nach dem Motto „der Feind meines Feindes ist mein Freund“. In einer vielfältigen Gemeinschaft können resistente Tiere den Vorteil gegenüber ihren empfindlichen Artgenossen daher nicht so gut ausspielen. „Dadurch könnte die Schere immer weiter aufgehen“, erklärt Matthias Liess. „Die Schädlinge auf dem Acker werden immer unempfindlicher gegen Pestizide, ihre Nachbarn in den Feldrainen oder Gewässern aber nicht."
Ob diese Theorie stimmt, haben die UFZ-Forscher in Laborversuchen mit der Mückenart Culex quinquefasciatus getestet. Die Verwandten der Gemeinen Stechmücke leben in den Tropen und Subtropen und übertragen dort für Mensch und Tier gefährliche Krankheiten von der Vogel-Malaria bis zum Westnil-Fieber. „Im Labor kann man diese Tiere besonders gut halten“, erklärt Matthias Liess. „Deshalb verwendet man sie oft als Stellvertreter für andere Mückenarten." Zu Beginn des Versuchs schwammen in den Becken der Forscher jeweils 400 Larven dieser Tiere. Bei drei Vierteln davon enthielt das Erbgut eine oder sogar zwei Kopien eines Pestizid-Resistenzgens namens ace-lR. Das restliche Viertel musste ohne eine solche Erbinformation auskommen und war daher nicht resistent. Die einzelnen Populationen wurden regelmäßig mit dem Insektizid Chlorpyrifos behandelt und waren zusätzlich mit unterschiedlichen Lebensbedingungen konfrontiert. Vier von ihnen mussten ihr Becken mit Wasserflöhen teilen, die ihnen Konkurrenz machten. Bei vier weiteren haben die Forscher zweimal pro Woche zehn bis zwanzig Prozent der Larven herausgefangen, um den Einfluss von Fressfeinden zu simulieren. Die überlebenden Mücken in diesen Populationen lebten in einem Schlaraffenland, ohne sich mit anderen Organismen auseinandersetzen zu müssen. In den letzten vier Populationen durften sich die Insekten ungestört vermehren. Über sechs Mückengenerationen haben die Forscher dann jeweils beobachtet, wie sich die Häufigkeit des Resistenzgens veränderte – ein Prozess, den Biologen als „Mikro-Evolution“ bezeichnen.
Den schnellsten Wandel erlebten dabei die Populationen ohne feindliche Arten. Bei ihnen stieg der Anteil der Mücken mit einem Resistenzgen im Laufe des Versuchs von 75 auf 95 Prozent an. „In diesen Populationen mussten sich die Tiere nur gegen die Konkurrenz aus den eigenen Reihen durchsetzen“, erklärt Matthias Liess. Vor allem, wenn die Ressourcen knapp werden, können dabei schon kleine Unterschiede im Erbgut entscheidende Vorteile bringen. Rivalität unter Artgenossen beschleunigt deshalb die Mikro-Evolution. Ganz anders sieht die Situation dagegen aus, wenn Konkurrenten anderer Arten wie die Wasserflöhe oder Fressfeinde wie die larvenfangenden Forscher ins Spiel kommen. In beiden Fällen breitete sich das Resistenz-Gen unter Pestizid-Einfluss deutlich langsamer in den Populationen aus.
Befand sich hingegen kein Insektizid im Wasser, sorgten die gleichen Mechanismen dafür, dass die Populationen ohne feindliche Arten ihr Resistenzgen auch schnell wieder verloren. Wenn sie gar nicht mit dem giftigen Präparat konfrontiert waren, brachte ihnen diese Erbeigenschaft schließlich keinen Nutzen, sondern nur Nachteile. Denn die Widerstandsfähigkeit hat ihren Preis. So müssen resistente Tiere zum Beispiel in zusätzliche Enzyme investieren, die das Pestizid abbauen können. Die dafür benötigte Energie aber fehlt dann für andere Aufgaben. Das führt zum Beispiel oft dazu, dass resistente Tiere schlechter wachsen. Bei starker Rivalität besaßen nach sechs Generationen daher statt 75 nur noch 40 Prozent der Mücken das Resistenzgen. Wasserflöhe oder Fressfeinde aber verzögerten auch diese Entwicklung. Tatsächlich scheinen solche zusätzlichen Herausforderungen also die Mikro-Evolution zu bremsen.
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Effekte ein grundlegendes Prinzip darstellen und daher für alle Lebensräume und Arten gelten. „Möglicherweise lassen sich daraus neue Ansätze für die Schädlingsbekämpfung ableiten“, sagt Matthias Liess. So wird die Erhöhung der Biodiversität mit Konkurrenten und Räubern der Schadorganismen eine Resistenzbildung verringern. Wenn Schadorganismen auf Felder vorzudringen versuchen, könnte man sie daher leichter und mit geringem Pestizideinsatz in den Griff bekommen. „Ob das in der Praxis klappt, müsste allerdings erst noch untersucht werden“, betont Matthias Liess. An einem aber hat er keinen Zweifel: Artenvielfalt hat nicht nur große ökologische Vorteile. Sie erleichtert auch die Schädlingsbekämpfung.
Publikation
Becker JM, Liess M. 2015
Biotic interactions govern genetic adaptation to toxicants. Proc. R. Soc. B 20150071.
http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2015.0071
Topics
Species
