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Freisetzungen mit gentechnisch veränderten Rhizobien

Leuchtende Bakterien

Als die Versuche im September 1994 begannen, war das öffentliche Interesse groß. Erstmals wurden in Deutschland gezielt gentechnisch veränderte Bakterien ins Freiland ausgebracht. Untersucht werden sollte ihre Überlebensfähigkeit und Wechselwirkungen mit natürlichen Bodenprozessen.

Lysimeter-Anlage zur Untersuchung der Tiefenausbreitung der gentechnisch markierten Bakterien im Boden.

Beimpfungsgerät für die Ausbringung der markierten Bakterien auf Versuchsparzellen.

Die zur Freisetzung ausgewählten Bakterien gehören zur Gruppe der Rhizobien (Knöllchenbakterien). Sie bilden mit Leguminosen Lebensgemeinschaften, bei denen die Bakterien die Pflanzen mit Stickstoff aus der Luft versorgen. In der landwirtschaftlichen Praxis hängt das Ertragspotenzial der Leguminosen entscheidend von einer effizienten Symbiose mit den Rhizobien ab. Impfpräparate sollen die natürliche Knöllchenbildung (Nodulation) erhöhen. Allerdings lässt sich ihre Wirksamkeit ohne Gentechnik nur schwer überprüfen. Im Dickicht der Millionen natürlichen Bakterien verschwinden die Spuren der angeimpften Rhizobien innerhalb von Tagen.

Zur Markierung baute eine Arbeitsgruppe um Alfred Pühler von der Universität Bielefeld ein fremdes Gen in das Erbgut eines Luzerne nodulierenden Rhizobiums (Sinorhizobium meliloti, frühere Bezeichnung: Rhizobium meliloti). Das fremde Gen stammt aus dem Glühwürmchen und veranlasst den Organismus, ein Enzym namens Luziferase zu bilden.

Luziferase lässt die Bakterien leuchten, wenn man ihnen im Labor das Substrat Luziferin anbietet. Mit Hilfe des »Leucht-Gens« wurde es möglich, noch unter einer Million natürlicher Bakterien eine einzelne markierte Zelle zu finden.

Zwei gentechnisch markierte Stämme wurden hergestellt, beide mit dem Leucht-Gen, aber einer mit einem zusätzlichen Gendefekt, der die Reparatur von natürlichen Genveränderungen (Mutationen) unterband. Beide Stämme wurden über mehrere Jahre im Labor und Gewächshaus untersucht. Im Februar 1994 wurde dann der Antrag an das Robert-Koch Institut (RKI) gestellt, die Bakterien in das Freiland bringen zu dürfen. Ein halbes Jahr später kam die Genehmigung.

Freisetzung in Bodensäulen

Im September 1994 begannen die Versuche auf dem Gelände der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) in Braunschweig. Zunächst wurden 16 Bodensäulen, jede mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern, beimpft.

Im April 1995 erfolgte die zweite Freisetzung: auf 16 Versuchsparzellen, jede mit einer Fläche von 3 x 3 Metern. Die Böden enthielten zum Zeitpunkt der Freisetzung kaum natürliche Rhizobien. Insgesamt wurden im September 60 Milliarden (109 ) und im April ca. zwei Billionen (1012 ) Leucht-Gen-markierte Bakterien freigesetzt. Zum Zeitpunkt der Beimpfung war die Zahl der natürlichen Bakterien im Boden rund hundert Mal höher.

Die Versuche in den Bodensäulen dienten vor allem dazu, die natürliche Tiefenverteilung der Rhizobien zu verfolgen. Es zeigte sich, dass die Bakterien fast ausschließlich den obersten Bodenhorizont besiedelten und nicht dem Regenwasser folgend in tiefere Schichten verlagert wurden. Insgesamt ging die Anzahl der Bakterien in den Bodensäulen innerhalb von zwölf Monaten um das Einhundertfache zurück.

Als dann die Luzernepflanzen entfernt wurden, verminderte sich die Zellzahl noch einmal um das Zehnfache. Die Leucht-Gen-markierten Bakterien zeigten, was schon lange vermutet wurde: Ohne ihren Symbiosepartner (Luzerne) überleben Rhizobien in Böden nur in sehr niedrigen Zahlen.

Beim Parzellenversuch wurden auch auf benachbarten, nicht beimpften Parzellen mit Luzerne wenige Monate nach der Freisetzung »leuchtende« Bakterien gefunden, auf den drei Meter breiten Grünlandstreifen zwischen den Parzellen jedoch nicht. Damit war klar, dass sich die gentechnisch veränderten Bakterien nicht anders als ihre nicht veränderten Verwandten verhielten und sich nur innerhalb ihrer natürlichen Nischen bewegen konnten. Interessant war die Beobachtung, dass der Reparatur-defekte Stamm gleich gut wie der nicht-defekte Stamm überlebte.

Die Gewächshausversuche deuteten schon darauf hin: Nur in Böden mit vielen natürlichen Rhizobien war der Reparatur-defekte Stamm im Nachteil. Parallel verlaufende Bodenuntersuchungen zeigten außerdem, dass die markierten Bakterien keine negativen Auswirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit hatten.

Nach sieben Jahren: Bakterien noch immer nachweisbar

Dank des empfindlichen Luziferase-Tests können auch heute, mehr als sieben Jahre nach der Freisetzung, S. meliloti-Zellen auf den mit Luzerne bewachsenen Parzellen in einer Konzentration von etwa einem Hunderttausendstel der ursprünglich angeimpften Zellmenge nachgewiesen werden. Die Ergebnisse machen deutlich, dass gentechnisch markierte Bakterien im Freiland längerfristig überleben können, aber auch, wie effizient das ausgewählte Marker-Gen für Langzeitstudien ist.

Nachdem gezeigt wurde, dass die S. meliloti-Stämme die natürlichen Bodenfaktoren nicht veränderten, bleibt die umgekehrte Frage: Wie stark verändern Umwelteinflüsse die Bakterien? Mutationen sind natürliche Prozesse, aber wie häufig sie bei Bakterien in Böden auftreten, ist unbekannt. Für Christoph Tebbe von der FAL bietet der Freilandversuch heute die Möglichkeit, diese langfristigen Prozesse zu untersuchen.

(Leicht gekürzt und bearbeitet aus: Wissenschaft erleben, Ausgabe 1/2002); Zeitschrift der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft)