Grundlage für das Fachgespräch war das von Gemeinschaft zur Förderung von Pflanzeninnovation e.V. (GFPi) vorgelegte „Positionspapier zu züchterischen Möglichkeiten des Insektenmanagements in der Landwirtschaft“ und der vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität Kiel und Fachverbänden entwickelte „Vorschlag für ein Forschungsprogramm zur Interaktion zwischen tierischen Schädlingen und Nutzpflanzen“. Die Inhalte beider Papiere wurden von Dr. Tanja Gerjets (GFPi) und Prof. Dr. Christian Jung (Uni Kiel) vorgestellt. 

Einleitend verweist BMEL darauf, dass Resistenzzüchtung und integrierter Pflanzenschutz wichtige Forschungsbereiche des BMEL seien. Diese Themenbereiche sind auch wichtige Handlungsfelder in dem Ende letzten Jahres vorgestellten Diskussionspapier des BMEL zur Ackerbaustrategie 2035. Ziel der Ackerbaustrategie ist es Perspektiven für die Zukunft des Pflanzenbaus aufzuzeigen, um eine sichere Versorgung mit Nahrungs- und Futtermitteln zu gewährleisten. Vor dem Hintergrund des Wegfalls wichtiger insektizider Wirkstoffe im Pflanzen­schutz sowie durch das verstärkte Auftreten von tierischen Schädlingen, die im Zuge des Klimawandels noch zunehmen werden, wurde dieser Themenkomplex intensiv zwischen den Teilnehmern diskutiert und der weitere Handlungsbedarf für Innovationen, die insbesondere in der Pflanzenzüchtung gesehen werden, erörtert. 

Aktuelle Herausforderungen aus Sicht der Referenten: 

Abnehmende Verfügbarkeit von Wirkstoffen für den chemischen Pflanzenschutz

Künftig ist im Kulturpflanzenanbau mit einer stark zunehmenden Bedeutung herbivorer Invertebraten (v.a. Insekten und Nematoden) zu rechnen. Ursache sind die abnehmende Verfügbarkeit bzw. der reduzierte Einsatz von insektiziden Wirkstoffen sowie der Klimawandel und die damit einhergehenden Veränderungen der Phänologie, von Räuber-Beute-Beziehungen und von Nahrungsnetzen.

Die Zahl der verfügbaren insektiziden Wirkstoffe nimmt aufgrund neuer und strengerer Anforderungen an die Zulassung und Nutzung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) sowie durch regulatorische Maßnahmen und Forderungen aus der Bevölkerung stetig ab, was die oben genannten Entwicklungen noch weiter verschärft. Durch die daraus resultierende einseitige und kontinuierliche Verwendung bestimmter Wirkstoffe steigt das Risiko der Resistenzbildung in den Zielinsekten aufgrund eines einseitigen Selektionsdrucks. Dies kann in extremen Fällen dazu führen, dass in bestimmten Regionen aufgrund von Resistenzbildung bei Insekten der Anbau bestimmter Fruchtarten nicht weiter möglich ist (wie z. B. in Südengland, wo aufgrund von metabolischer Resistenz des Rapserdflohs gegen Pyrethroide der Rapsanbau eingestellt wurde). 

Die Bedeutung des Integrierten Pflanzenschutzes (IPS)

Die Einführung und Weiterentwicklung von integrierten Pflanzenschutzverfahren (IPS) mittels kulturpflanzenspezifischer Leitlinien ist eines der übergeordneten Ziele des Nationalen Aktionsplanes. Die Bekämpfung von Pflanzenschädlingen und Krankheiten durch chemische Verfahren soll dabei die letzte Maßnahme darstellen, die genutzt werden kann, wenn die anderen Maßnahmen nicht (mehr) greifen. Aufgrund der kostengünstigen, einfachen Verfügbarkeit und Handhabung und der hohen Effizienz von Insektiziden wurden die alternativen Maßnahmen in den letzten Jahrzehnten nicht in ausreichendem Maße genutzt. Aktuelle und zukünftige Szenarien mit eingeschränkter Verfügbarkeit chemischer Pflanzenschutzmittel führen zu einer zunehmenden Bedeutung kombinierter Maßnahmen des IPS in den Bereichen Hygienemaßnahmen, Kulturtechniken, ackerbauliche Methoden sowie Einsatz toleranter bzw. resistenter Sorten. Hierfür müssen die erwähnten IPS-Maßnahmen, wie die Nutzung resistenter bzw. toleranter Kulturpflanzen im Rahmen intensiver Forschung angepasst, weiterentwickelt und verbessert werden. 

Resistenz/Toleranz als Ziel der Pflanzenzüchtung

Gerade die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Schadinsekten stellt einen essenziellen Grundstein für die zukünftige Bereitstellung leistungsfähigerer Sorten und die Sicherung des Ertrages unter veränderten Produktionsbedingungen dar. Sowohl die Toleranz als auch die Resistenz gegenüber Schadinsekten beruhen vielfach auf der Ausprägung komplexer pflanzlicher Eigenschaften, die die Interaktion des Insekts mit der Pflanze stören. 

Zur Entwicklung resistenter oder toleranter pflanzlicher Genotypen müssen Resistenzen in pflanzengenetischen Ressourcen inkl. Sorten, Landrassen und Wildformen oder nahe verwandten Arten aufwändig identifiziert und in einem langwierigen Prozess züchterisch an die jeweilige Kulturpflanze adaptiert und in Elitezuchtmaterial übertragen werden. Züchtungsprogramme sind zeit- und kostenaufwändig, und ein Zeitraum von 10-15 Jahren für die Sortenentwicklung und -zulassung der neuen Sorte ist die Regel. Es gilt, diese „neuen“ Züchtungsziele in die bestehenden Ziele wie Ertrag (Quantität und Qualität), Krankheitsresistenz gegen Pilze und Viren sowie die Anpassung an standortspezifische Parameter und abiotische Faktoren wie Trockenstress zu integrieren und beim Zuchtfortschritt parallel zu berücksichtigen. 

Durch kombinierte Ansätze der Phänotypisierung und Genotypisierung sind eng gekoppelte molekulare Marker für neu identifizierte Resistenzen bzw. Toleranzen gegen Schadinsekten zu entwickeln, die effizient und unmittelbar in die Sortenentwicklung implementiert werden können. So kann das neue Merkmal Insektentoleranz über einen markergestützten Selektionsansatz in Züchtungsunternehmen in Nutzpflanzen transferiert werden. Als Herausforderung für züchterische Arbeiten - wie die genetische Kartierung von Resistenzen bzw. Toleranzen und die Entwicklung von molekularen Markern - gilt, dass große Populationen benötigt werden. Die Phänotypisierung solcher Kartierungspopulationen ist zeit- und kostenintensiv, da versuchstechnisch ein beträchtlicher Aufwand betrieben werden muss. Die großen Datenmengen (Big Data) von Phänotypisierungen und Genotypisierungen mit ihrer, aufgrund der Breite an zu beobachtenden Merkmalen von Pflanzen und Insekten, sehr komplexen Struktur können nur durch Anwendung noch zu entwickelnder komplexer bioinformatischer Methoden ausgewertet werden. 

Notwendige Maßnahmen in Forschung und Entwicklung

Die Vermeidung zunehmender Ertragsverluste durch Schadinsekten an Kulturpflanzen ist eine zentrale und kulturartübergreifende Herausforderung zur nachhaltigen Erfüllung der zukünftigen Aufgaben unserer Landwirtschaft, welche für die Ernährung der Menschen, aber auch als entscheidender Wegbereiter der Bioökonomie eine zentrale Rolle einnimmt. Zu diesem Zweck ist eine Intensivierung der Forschung in relevanten Handlungsfeldern Züchtungsforschung, Phänotypisierung, Genomanalyse, Entomologie, Bioinformatik, Chemische Ökologie und Pflanzenbau notwendig. 

Angesichts der drängenden Herausforderungen erfordern die thematische Breite der Handlungsfelder, welche die Pflanzenzüchtung sowie weitere Bereiche eines integrierten Pflanzenschutzes u.a. mit Hinblick auf die Entwicklung von Brückentechnologien voranbringen sollen, und die hohe wirtschaftliche Relevanz für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion zeitnahe Initiativen und Investitionen in die Grundlagenforschung, die anwendungsorientierte sowie die angewandte Forschung. 

Auf diese Weise können die drängenden Fragestellungen zur Toleranz bzw. Resistenz von Kulturpflanzen gegenüber Schadinsekten angegangen und in der praktischen Pflanzenzüchtung umgesetzt werden. Eine engere Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft und ein frühzeitiger Transfer von Wissen in die anwendungsorientierte und angewandte Forschung, verbunden mit einer langfristig ausgerichteten Bereitstellung von Fördermitteln auf allen Forschungsebenen, führt dazu, dass Bekämpfungslücken in den wichtigen landwirtschaftlichen Kulturen vermieden werden. Aufgrund der Entwicklung und Bereitstellung toleranter und resistenter Sorten gilt die Pflanzenzüchtung als Schlüsseltechnologie für eine leistungsfähige und umweltschonende Landwirtschaft. 

Die Entomologie als ein relevantes Handlungsfeld, u.a. für die Entwicklung von Methoden der Phänotypisierung als Tool für die Pflanzenzüchtung, fristete in den letzten Jahrzehnten ein Nischendasein an deutschen Hochschulen. Neue Forschungsprogramme werden in den kommenden Jahren zu einem notwendigen Aufschwung in diesem Bereich führen. Für eine zukünftige Stärkung der Ausbildung von wissenschaftlichem und fachpraktischem Nachwuchs mit entomologischem Schwerpunkt, von dem Forschung und Wirtschaft gleichermaßen profitieren werden, bedarf es bereits jetzt einer gezielten Förderung von Nachwuchswissenschaftlerinnen und -Wissenschaftlern, u. a. durch die Einrichtung von unabhängigen Forschungsgruppen an Universitäten und Hochschulen sowie anderen Forschungseinrichtungen. 

Im Rahmen einer übergreifenden Förderstrategie ist die Etablierung langfristiger Forschungsprogramme dringend erforderlich. Mit einer kontinuierlichen Förderung von Forschung und Entwicklung in allen Handlungsfeldern über einen Zeitraum von 10 bis 15 Jahren werden signifikante Fortschritte zu erzielen sein. Eine modulare Förderung für zunächst 3 + 2 Jahre wird zur Umsetzung thematischer Schwerpunkte vorgeschlagen. Eine solche Projektlaufzeit ermöglicht u. a. den Aufbau von Testpopulationen, die aufwändige Etablierung neuer Phänotypisierungsmethoden, sowie die Untersuchung komplexer biologischer Fragestellungen bis hin zur ersten Charakterisierung von Genombereichen bzw. zugrundeliegenden Genen für Schaderreger-Resistenz. Um dem langwierigen Züchtungsprozess Rechnung zu tragen, sollten züchtungsnahe Evaluierungsarbeiten hinsichtlich Toleranz/Resistenz gegenüber Schadtiere umgehend in aktuelle Förderprogramme aufgenommen werden. 

Fazit der Diskussion 

Beide Fachvorträge zeigen das gesamte Spektrum des Forschungsfeldes Insekten (und weitere Invertebraten) auf. Es wird deutlich, dass es aufgrund der bisher fehlenden Notwendigkeit nur wenige positive Einzelbeispiele der Resistenzzüchtung gegen Insekten (z.B. Orangerote Weizengallmücke) gibt und systematische Forschungsansätze fehlen. 

Die Gliederung in die Themenblöcke „Screening“, „Kategorisierung“, „Züchtung“ und „Anbaumanagement“ schlägt einen aufbauenden Handlungsansatz von der Evaluierung über die Züchtung bis zu einem Anbaumanagement beim Landwirt vor. 

Es stehen bisher keine praxistauglichen Screening-Systeme zur Verfügung, um Unterschiede in der Toleranz/Resistenz bei Sorten, verwandten Arten und in Genpools zu untersuchen. 

Für eine erfolgreiche Züchtungsforschung und Züchtung müssen reproduzierbare Screening-Methoden (Stichwort Phänotypisierung) entwickelt werden. Das Auffinden von genetischer Variabilität bei neuen Merkmalen ist Voraussetzung für züchterische Ansätze. Diese (Hochdurchsatz-) Methoden sind Voraussetzung zur Identifizierung und Nutzung von genetischer Variabilität im primären und sekundären Genpool. Im nächsten Schritt müssen molekulare Marker für die verantwortlichen Gene identifiziert werden-, die anschließend im Züchtungsprozess eingesetzt werden können. Schließlich sollen die Resistenzgene identifiziert werden, um neue Variation zu schaffen und um grundlegende Fragestellungen bearbeiten zu können. 

Das Insektenmanagement in landwirtschaftlichen und Sonderkultur-Anbausystemen wird eine wichtige Funktion erlangen, um tolerante/resistente Sorten langfristig nutzen zu können und Resistenzbildungen bei den Insekten von Anfang an vorzubeugen. Hier sind Fruchtfolgegestaltung, Einsatz von Nützlingen und pflanzenbauliche Maßnahmen von Bedeutung. 

Großer Handlungsbedarf im Bereich der Landwirtschaft besteht bei den Blattfruchtarten Raps, Kartoffel, Zuckerrübe und den Leguminosen Ackerbohne, Erbse und Lupine und wirtschaftlich bedeutenden Sonderkulturen. Neben den direkten (Fraß-) Schäden haben Insekten insbesondere als Virusvektoren eine große Bedrohung. Bei Leguminosen haben Insekten, die das Saatgut schädigen (z.B. Ackerbohnenkäfer), zudem eine große wirtschaftliche Bedeutung. Bekanntmachungen zur Erforschung von Insekten und anderen tierischen Schädlingen in der Landwirtschaft sollten aber breit angelegt sein und alle Kulturarten einschließlich Sonderkulturen, berücksichtigen. Eine Einschränkung sollte vermieden werden, da auch Getreide und andere Fruchtarten für eine weitere Fruchtfolge von Bedeutung sind und einer zukünftigen Bedrohung durch neuartige Schädlinge ausgesetzt sind, welche aufgrund des Klimawandels in Deutschland heimisch werden. 

Der heutige Stand der Insektenforschung in Deutschland ist mit dem Stand der Forschung bei pilzlichen Krankheiten von vor etwa 20 Jahren vergleichbar. Da die Landwirtschaft dringend Alternativen zu chemisch-synthetischen Insektiziden benötigt, sind ressort-übergreifende Fördermaßnahmen von der Grundlagenforschung bis zur anwendungsnahen Züchtungsforschung geboten. Diese Forschungsaktivitäten müssen parallel durchgeführt und sollten durch ressort-übergreifende Koordinierungsprojekte und Statusseminare/Austausch-tage horizontal vernetzt werden. 

Ressort-übergreifende Forschungsstrategien zum Insektenmanagement müssen auf 12 bis 15 Jahre ausgelegte Perspektiven aufzeigen. Thematische Schwerpunkte sollten dann unter diesem Dach auf Förderzeiträume von 3+2 Jahren angelegt werden. Kontinuierliche Antragsverfahren können die große Bedeutung des Themas Insektenmanagement für die praktische Landwirtschaft unterstreichen und dafür sorgen, dass die besten Ideen schnell Eingang in die Forschung finden. Diese Voraussetzungen werden ein Signal geben, damit genügend kritische Masse für neue Arbeitsgruppen an Hochschulen und Forschungsinstitutionen entsteht. 

Thematisch breit angelegte Forschungsprogramme bieten die Chance, auch Forschungsgruppen außerhalb der Agrarwissenschaften anzusprechen und interessierte Arbeitsgruppen zu identifizieren. Hier können sich Perspektiven für Wissenschaftler bieten, die bisher an Modellpflanzen, Modellinsekten oder an grundlegenden ökologischen Themen gearbeitet haben. Eine Verstetigung des Forschungsschwerpunktes „Insektenmanagement“ wird sich positiv auf die Nachwuchsausbildung und eine steigende Nachfrage an wissenschaftlich ausgebildeten Fachkräften in Wissenschaft und Wirtschaft auswirken. 

Ein wesentlicher Garant für den direkten Transfer von Forschungsergebnissen in die Sortenentwicklung wird die Kooperation zwischen öffentlicher Forschung und privater Pflanzenzüchtung in Forschungsprojekten sein. Bei den Brückentechnologien kann das Julius Kühn–Institut die Aufgabe übernehmen, grundlegende Forschungsergebnisse zum Insektenmanagement für die Landwirtschaft nutzbar zu machen. 

Zu Beginn von Ausschreibungen können zukünftige Projektpartner bei einem Partnering-Day, welcher bereits bei anderen Ausschreibungen des BMEL eigenständig durch die GFPi organisiert wurde, zueinander finden. Projekte aus parallelen Bekanntmachungen von BMEL (angewandte Forschung) und BMBF (Grundlagenforschung) könnten möglicherweise unter einem horizontalen Projekt, durch dessen Einrichtung ein vermehrter Austausch zwischen den Einzelprojekten gefördert werden soll, untergebracht werden. 

Als Resultat des BMEL-Fachgesprächs am 9. März 2020 sollten aus Sicht der Teilnehmer Forschungsprogramme vor allem auf die folgenden Wissensbereiche und Forschungsfelder fokussiert, aber nicht ausschließlich beschränkt werden: 

• Phänotypisierung von Pflanze-Insekt-Interaktionen
• Pflanzliche Resistenz/Toleranz als Konzept zur Regulation von invertebraten Schadorganismen und deren Schäden
• Züchtungsforschung als Basis für die Entwicklung resistenter Sorten
• Entomologie, Biophysik und Chemische Ökologie zum Verständnis biotischer Wechselwirkungen
• Die Rolle des Mikrobioms bei der Abwehr von invertebraten Schadorganismen

 Für die Pflanzenzüchtungsforschung und Pflanzenzüchtung sind nachstehende Aspekte von besonderer Bedeutung:

• Entwicklung verlässlicher Phänotypisierungsmethoden von Pflanze-Insekt-Interaktionen
• Screening genetischer Ressourcen
• Genetische Kartierung von Resistenz-QTL und Entwicklung diagnostischer Marker für den züchterischen Einsatz
• Genidentifikation sowie Aufklärung molekularer Mechanismen der Toleranz/Resistenz
• Erstellen neuer Genvarianten

 Handlungsfelder und Forschungsthemen im Detail

Phänotypisierung der Interaktionen von Pflanzen und Insekten

• Entwicklung visueller Tracking (bildgebender)-Methoden (für Hochdurchsatzscreenings)
• Entwicklung von Screening-Methoden für Gewächshaus- und Feldmaßstäbe

Entomologie als Wissensgrundlage

• Lebenszyklen, Ausbreitungsdynamik
• Neue und invasive Arten
• Identifikation von Schadbildern und Festlegung ökonomischer Schadensschwellen
• Zeitpunkt des Auftretens der Insekten und der Schädigung
• Erkennungsmuster für Insekten in Bezug auf Wirts- und Futterpflanzen
• Förderung von Nützlingen

 Resistenz-/Toleranzzüchtung

• Untersuchungen zur genetischen Variabilität auf Seiten der Kulturpflanzen
• Identifizieren von Resistenz-/Toleranzquellen in genetischen Ressourcen, sekundären Genpools, verwandten Arten
• Schaffung neuer genetischer Variation durch Mutationsauslösung

 Pflanzenzüchtungsforschung

• (konstitutive und induzierte) Abwehrmechanismen der Pflanzen gegen Invertebraten
• Unterschiede zwischen saugenden und fressenden Insekten für die Pflanzen
• Physische Interaktion der Insekten mit Pflanzen (Barrieren, Pflanzenoberfläche)
• Metabolische Interaktionen
• Genetische Kartierung, Markerentwicklung, Genotypisierung, Genidentifizierung

 Biologische Schädlingsbekämpfung

• nicht-genetische Ansätze zur Bekämpfung von tierischen Schädlingen (Invertebraten) durch lebende Organismen (Nützlinge)
• Einfluss des Bodenmikrobioms auf oberirdische Schädlinge
• Entwicklung neuer Ackerbaukonzepte / Maßnahmen

 Chemische Ökologie

• Metabolite Profiling und Modifikation von Stoffwechselwegen
• Entschlüsselung attraktiver und repellenter Verbindungen
• Identifikation von Elicitoren pflanzlicher Abwehrmechanismen
• Anlockung von Nützlingen
• Entwicklung von Push-and-Pull-Strategien
• Entwicklung von Attract-and-Kill-Verfahren
• Entwicklung von Biologischen Pflanzenschutzmitteln
• Nutzen von Pheromonen (Monitoring, Verwirrtechniken, Massenfang)

 Aus Sicht der Wissenschaft und Wirtschaft wurde betont, dass zur Bewältigung der Probleme im Pflanzenschutz auch innovative Züchtungs- und Selektionsmethoden wie CRISPR/Cas von großer Bedeutung sind. Allerdings können diese Techniken in der Pflanzenzüchtung hierzulande bisher nicht genutzt werden: Organismen, welche durch Genome Editing erstellte Mutationen tragen, werden durch das Urteil des Europäischen Gerichtshof vom 25. Juli 2018 pauschal als genetisch veränderte Organismen (GVO) im der geltenden EU-Freisetzungsrichtlinie eingestuft. Aufgrund des Urteils ist der Werkzeugkasten der Pflanzenzüchtungsforschung zurzeit nicht vollständig einsetzbar. 

Erschienen am 03. Sep. 2020 im Format Artikel