Resistenzentwicklung des Maiswurzelbohrers gegenüber Bt-Mais

(2005 - 2008) Georg-August-Universität, Institut für Pflanzenpathologie und Pflanzenschutz, Göttingen

Thema

In diesem Projekt wurde verschiedenen Fragestellungen nachgegangen:

Resistenzentwicklung an alternativen Wirtspflanzen

Der Bt -Mais (Cry3Bb1) mit Resistenz gegen den Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera virgifera) wirkt hauptsächlich auf das erste Larvenstadium (L1) des Schädlings tödlich. Der Maiswurzelbohrer kann außerdem – im Gegensatz zum Maiszünsler – auch andere Pflanzen als Nahrungsquelle nutzen, die regelmäßig in Maisfeldern auftreten – so genannte alternative Wirtspflanzen. Wenn die jungen L1-Larven zunächst auf alternativen Wirtspflanzen fressen und erst dann zu Bt-Mais überwechseln, entwickeln sich möglicherweise teilresistente Schädlinge, die über mehrere Generationen zu Resistenzen führen könnten.

Anhand der erhobenen Daten sollte die Wahrscheinlichkeit einer Resistenzentwicklung in Abhängigkeit des Auftretens von alternativen Wirtspflanzen in Bt-Mais abgeschätzt werden.

Design von Refugialflächen

Um Resistenzentwicklungen zu verlangsamen, werden so genannte Refugialflächen (Refugien ) mit konventionellem Mais angelegt. Hintergrund ist der, dass die Schädlinge sich in den konventionellen Pflanzen vermehren können und damit Teilresistenzen wieder ausgedünnt werden. In dem Projekt wurde untersucht, inwieweit die unterschiedliche räumliche Anordnung vontransgenen und nicht transgenen Pflanzen eine Rolle für eine effektive Refugien-Strategie spielt.

Einfluss auf das Mykotoxin -Vorkommen

Es ist bekannt, dass gegen den Maiszünsler resistente Bt-Maissorten eine deutlich reduzierte Mykotoxinbelastung aufweisen. Es sollte untersucht werden, ob dies auch bei diabrotica-resistentem Mais zutrifft.

Zusammenfassung

Resistenzentwicklung an alternativen Wirtspflanzen

Alternative Wirtspflanzen in Bt-Mais-Beständen führen zu einer erhöhten Überlebenswahrscheinlichkeit der Maiswurzelbohrerlarven. Dabei ist sowohl die Pflanzenart, als auch die räumliche Anordnung innerhalb des Bestandes entscheidend.

Design von Refugialflächen

Beim Vergleich verschiedener Anordnungen von Refugien zeigte sich, dass die "refuge in a bag"- Strategie, bei der dem Saatgut zwanzig Prozent konventionelles Saatgut beigemischt werden, eine Bildung von Teilresistenzen eher fördert als verhindert. Werden Bt- und konventioneller Mais nebeneinander angebaut, sollten mindestens zwei Reihen Abstand eingehalten werden, um ein Überwechseln der im Boden sehr mobilen Larven zu verhindern.

Einfluss auf das Mykotoxin -Vorkommen

Das Vorkommen der Larven führte zu einer stärkeren Besiedlung mit einem Mykotoxin produzierenden Pilz (F. verticillioides). Wenn im Bt-Mais Larven vorhanden waren, kam auch dort der Pilz vor.

Mykotoxine (Fumonisin) konnten nicht nachgewiesen werden. Diese werden aber meist erst beim Abreifen der Pflanzen gebildet. Daher wird vermutet, dass diese bei einem späteren Probenahmetermin feststellbar gewesen wären.

Versuchsbeschreibung

Resistenzbildung an alternativen Wirtspflanzen

Da der Maiswurzelbohrer in Europa noch ein Quarantäne-Schädling ist, fanden die Untersuchungen zur Resistenzentwicklung im Quarantäne-Labor bzw. Gewächshaus statt.

In Laufrinnen wird die Mobilität der Larven untersucht

Bioassay: In Glas-röhrchen werden Larven mit verschiedene Pflanzenwurzeln gefüttert.

Containerversuch: In so genannten Mikro-habitaten werden Larven Maispflanzen sowie verschiedene alternative Wirtspflanzen angeboten.

Mobilität der Larven. Die Mobilität der Larven wurde in zwei verschiedenen Böden (Erde/Einheitserde- und Erde/Sandmischung) überprüft. Dazu wurde an das eine Ende einer Laufrinne (1m x 10 cm x 10cm) eine Maispflanze eingepflanzt. Fünf Tage später wurden am anderen Ende Larven der verschiedenen Larvenstadien (L1- L2- und L3-Larven) eingesetzt. Nach zwei, vier bzw. acht Stunden wurden die Larven aus Bodenproben (je 10 cm) extrahiert. So konnte in Zehn-Zentimeter- Abständen die Distanz bestimmt werden, welche einzelne Larven zurückgelegt hatten.

Bioassay. In einem Bioassay wurde die Eignung verschiedener möglicher alternativer Wirtspflanzen (Ungräser, die häufig in oder an Maisfeldern zu finden sind und Getreidearten) als Wirtspflanzen für den Wurzelbohrer untersucht. Wurzeln dieser Pflanzen wurden an Larven verfüttert und anschließend die Gewichtszunahme wie auch die Fraßleistung der Larven gemessen.

Einfluss verschiedener Altersklassen von Bt-Maispflanzen. Um den Einfluss unterschiedlich alter Wurzeln auf L2-Larven zu untersuchen, wurden je 120 schlupfbereite Eier des Maiswurzelbohrers an zweieinhalb, vier, sechs und acht Wochen alte Pflanzen von Bt-Mais und isogener Linie gegeben. Nach zwanzig Tagen wurden die Larven aus den Wurzelballen extrahiert. Die einzelnen Larvenstadien wurden ausgezählt und deren Kopfkapselbreite und das Trockengewicht bestimmt.

Containerversuche. Einfluss alternativer Wirtspflanzen. In Containerversuchen (Mikrohabitaten) wurden Larven des Maiswurzelbohrers verschiedene Kombinationen von Maispflanzen (transgen , isogen) sowie Winterweizen, Roggen und Kolbenhirse als geeignet erscheinende potenzielle Wirtspflanzen in unterschiedlichen Reihen- und Pflanzenabständen angeboten. Die Entwicklung der Larven wurde beobachtet.

Containerversuche. Experimente zum Refugien-Design. Um die Wirksamkeit von Refugien einzuschätzen, wurde in vier Varianten untersucht, wie viele überlebende Larven jeweils zu erwarten sind. Dazu wurden zunächst hundert Prozent Bt-Mais mit hundert Prozent isogenem Mais (= Refugialfläche) verglichen. Zusätzlich wurde mit einer Reihe Bt-Mais und einer Reihe isogenem Mais die Grenzfläche zwischen Bt- und konventionellem Mais simuliert sowie eine Saatgutmischung (= "refuge in a bag") eingesetzt, bei der zwanzig Prozent der Pflanzen isogen waren. Die Entwicklung der Larven wurde verglichen.

Einfluss auf das Mykotoxin-Vorkommen

Mit einem Bioassay wurde der Zusammenhang zwischen Schädlingsfraß an den Wurzeln und der Mykotoxinbelastung quantifiziert.

Bt-Mais und isogene Linie wurde im Gewächshaus angezogen. In den Boden wurde ein Mykotoxin-produzierender Pilz (Fusarium verticillioides) in drei Konzentrationen eingearbeitet. Zu den Pflanzen wurden je achtzig Eier des Maiswurzelbohrers gegeben. Nach drei Wochen Fraß wurden die Wurzeln auf ihre Pilz-Besiedlung hin untersucht.

Ergebnisse

Resistenzentwicklung an alternativen Wirtspflanzen

Mobilität der Larven. Um abschätzen zu können, wie weit sich die Larven vom Mais entfernen können, wurde die Mobilität der Larven untersucht. L2 Larven wurden im gesamten Kasten wieder gefunden und waren damit viel mobiler als L3 Larven, die eher in der Nähe der Einsatzstelle wieder gefunden wurden. Die Larven waren in der Erde/Einheitserde-Mischung deutlich mobiler als in der Sandmischung. Daher wurde für die weiteren Versuche die Erde/Einheitserde- Mischung gewählt. Künstliche Verdichtung der Böden zeigte dagegen keinerlei signifikante Unterschiede.

Bioassay. Eine Gewichtszunahme der Mehrzahl der Larven (>50%) konnte vor allem bei Flughafer (Avena fatua), Borstenhirse (Setaria glauca) und Winterweizen festgestellt werden. Wie viel von den Larven gefressen wurde (= Fraßleistung) war stark abhängig von den einzelnen Wirtspflanzen. So wurde z.B. bei einem ähnlichen Gewichtszuwachs der Larven an Borstenhirse sehr viel, an Flughafer aber nur relativ wenig gefressen.

Anzahl der überlebenden Larven an unterschiedlich alten Pflanzen von Bt-Mais und isogener Linie

Anzahl der Larven der verschiedenen Larvenstadien in den unterschiedlichen Varianten

Anzahl überlebender Larven bei den verschiedenen Anordnungen von Roggen und Bt-Mais. Verschiedene Buchstaben über den Balken zeigen signifikante Unterschiede innerhalb eines Larvenstadiums.
BR = zwischen den Bt-Maisreihen
WR = innerhalb der Bt-Maisreihen

Anzahl der gefundenen Larven pro Pflanze aus den verschiedenen Refugien-Modellen (Kontrolle nur Bt-Mais bzw. Iso-Linie; mixed bag = Gemisch als "refuge in a bag"; mixed rows = Grenzflächen zwischen Bt-Mais und Iso-Linie. Verschiedene Buchstaben über den Balken zeigen signifikante Unterschiede innerhalb eines Larvenstadiums.

Einfluss verschiedener Altersklassen von Bt-Maispflanzen. Die meisten Larven wurden an den älteren Pflanzen gefunden. Erwartungsgemäß waren an Pflanzen der isogenen Linie deutlich mehr Larven zu finden als an Bt-Mais. Auch an Bt-Mais wurden überlebende Larven gefunden. Diese waren bei acht Wochen alten Pflanzen überwiegend noch im zweiten Larvenstadium, bei acht Wochen alten Pflanzen der isogenen Linie dagegen bereits im dritten Larvenstadium.

Containerversuche: Einfluss alternativer Wirtspflanzen. Die alternativen Wirtspflanzen wurden zum einen mittig zwischen zwei Maisreihen angeordnet, zum anderen direkt in die Reihen gesetzt. Standen Winterweizen bzw. Kolbenhirse zwischen den Bt-Mais-Reihen, gab es nicht mehr überlebende Larven als wenn nur Bt-Mais angeboten wurde. Standen sie innerhalb der Reihe wurden jedoch signifikant mehr Larven gefunden. Mit Roggen wurden in beiden Varianten mehr Larven beobachtet als in reinem Bt-Mais. Die meisten Larven befanden sich jedoch nicht direkt an den Wurzeln alternativer Wirtspflanzen, sondern an den Wurzelballen der Bt-Maispflanzen. Dies entspricht der Hypothese, dass sich frisch geschlüpfte L1-Larven zunächst an alternativen Wirtspflanzen ernähren und dann zu Mais wechseln. Auch bei diesen Versuchen wurde eine Verzögerung der Larvenentwicklung beobachtet. Bei den Versuchen mit der isogenen Linie war bereits der Großteil der Larven im L3-Stadium, während bei Bt-Mais hauptsächlich L2-Larven zu finden waren.

Containerversuche: Refugien-Design. Auch in hundert Prozent Bt-Mais wurden Larven gefunden, allerdings deutlich weniger als bei der isogenen Linie. Außerdem wurden fast ausschließlich L1-Larven beobachtet, während bei der isogenen Linie hauptsächlich L2 und L3 zu finden waren.

In der Grenzflächen-Variante mit fünfzig Prozent isogener Linie waren auf den Bt-Pflanzen genau so viele L1- und L2-Larven zu finden, wie auf den isogenen Pflanzen. Nur L3 Larven wurden signifikant weniger im Bt-Mais beobachtet.

Die "refuge in a bag" Strategie erbrachte mit zwanzig Prozent isogenen Pflanzen signifikant mehr L2-Larven als in hundert Prozent Bt-Mais, aber insgesamt deutlich weniger als in hundert Prozent isogener Linie. Auch auf den Bt-Maispflanzen selber wurden mehr L2- und L3- Larven gefunden als in hundert Prozent Bt-Mais. Da die L2- und L3- Larven des Wurzelbohrers auf Bt-Mais überleben, wird bei dieser Strategie eine Bildung von Teilresistenzen eher gefördert als verhindert.

Einfluss auf das Mykotoxin-Vorkommen

Das Vorhandensein von Larven führte zu einer stärkeren Besiedlung mit dem Pilz F. verticillioides. Auch Bt-Mais hatte eine deutlich höhere Besiedlung durch den Pilz, wenn Larven vorhanden waren - trotz eines reduzierten Wurzelfraßes. Mykotoxine (Fumonisin) konnten nicht nachgewiesen werden. Da diese aber meist erst beim Abreifen der Pflanzen gebildet werden, ist zu vermuten, dass diese bei einem späteren Probennahme Termin auch feststellbar gewesen wären.