Faunistische Umweltrisikobewertung von Bt-Mais mit multiplen Resistenzgenen und Evaluierung von Trigonotylus caelestialium (Kirkaldy) und Lumbricus terrestris Linnaeus als Modellorganismen

Schultheis, Eva; Slusarenko, Alan

doi:3958

Faunistische Umweltrisikobewertung von Bt-Mais mit multiplen Resistenzgenen und Evaluierung von Trigonotylus caelestialium (Kirkaldy) und Lumbricus terrestris Linnaeus als Modellorganismen = Faunistic approach for an environmental risk assessment of a Bt-maize with multiple resistance genes and evaluation of Trigonotylus caelestialium (KIRKALDY) and Lumbricus terrestris LINNAEUS as model organisms

Schultheis, Eva (Author)

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eva Schultheis

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangII, 128 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Slusarenko, Alan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39586
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61503/files/3958.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bt-Mais (Genormte SW) ; Mais (Genormte SW) ; Biomonitoring (Genormte SW) ; Pflanzenfressende Insekten (Genormte SW) ; Regenwürmer <Familie> (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; T. caelestialium (frei) ; L. terrestris (frei) ; Modellorganismus (frei) ; environmental risk assessment (frei) ; Bt-maize (frei) ; monitoring (frei) ; model organisms (frei) ; GMO (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Landwirtschaftliche Nutzpflanzen sollen einen hohen Ertrag erreichen und dabei möglichst resistent gegenüber Krankheiten und Schädlingen sein. Eine Möglichkeit dazu bildet das Bt-Konzept, bei dem die Pflanze durch eine gentechnische Modifikation Cry-Proteine aus Bacillus thuringiensis (BERLINER), einem ubiquitär vorkommenden Bakterium, exprimiert und sich damit spezifisch gegen Schädlinge schützt. Die untersuchte Sorte DKC 5143-Bt MON 89034 x MON 88017 stellt die gegen Lepidopteren spezifischen Proteine Cry1A.105 und Cry2Ab2 ebenso her, wie das gegen Coleopteren spezifische Cry3Bb1. Einen wichtigen Baustein der Risikobewertung solcher gentechnisch veränderter Pflanzen bildet die Überprüfung der direkten oder indirekten Auswirkungen des Anbaus der neuen Pflanzen auf die umgebende Biozönose (Non-Target Organisms, NTO). Das Risiko für die NTO muss dabei als ein Zusammenspiel aus der reinen Exposition gegenüber neuen Inhaltsstoffen und einer Gefährdung durch selbige betrachtet werden. In der Entwicklung der ökotoxikologischen Risikobewertung stehen zwei verschiedene Herangehensweisen im Raum. In beiden Ansätzen ist die Identifizierung von sinnvollen Stellvertreterarten mit ökologischer Relevanz Voraussetzung. Für die vorliegende Studie wurden mit den Insekten und Regenwürmern zwei ökologische wichtige Organismengruppen ausgewählt, anhand derer die Vor- und Nachteile der verschiedenen Entwürfe in der Praxis verglichen werden sollten. Um die Auswirkungen des Anbaus der neuen Maissorte ganzheitlich auf die NTO der Umgebung zu untersuchen, wurde in Teil A der Studie in einem Feldversuch über drei aufeinanderfolgende Anbauperioden die neue Varietät mit ihrer nah-isogenen Parentalsorte sowie zwei konventionellen Sorten und einer Bodeninsektizidbehandlung gegen Diabrotica virgifera virgifera verglichen. Die Effekte auf die Zoozönose der Krautschicht, der Blüte und die Gemeinschaft der Lumbriciden wurde untersucht. Die untersuchten Zoozönosen zeigten keine Reaktion auf den Anbau der gv-Maissorte. Ein Einfluss der zum Vergleich angebauten konventionellen Sorten auf diese konnte jedoch nachgewiesen werden. In dessen Schwankungsbereich ließ sich die GV-Sorte im Bereich der nah-isogenen Sorte einordnen. T. caelestialium wurde als wichtigster Vertreter der herbivoren Wanzengemeinschaft im Maisfeld identifiziert. Gleichzeitig wurden in Teil B der Studie die Weichwanze Trigonotylus caelestialium (KIRKALDY) und der Regenwurm Lumbricus terrestris LINNAEUS als Stellvertreterarten für eine Verwendung als Modellorganismus ausgewählt und in Laborstudien untersucht. Dabei wurden für T. caelestialium die Möglichkeiten einer Haltung und Zucht unter Laborbedingungen evaluiert sowie das Schicksal der aufgenommenen Cry-Proteine und Unterschiede im Fraßverhalten, in Gewicht und Entwicklung in Abhängigkeit der verfütterten Maissorte untersucht. Für L. terrestris wurde versucht, in einem Dauerversuch über 200 Tage Exposition gegen die verschiedenen Maissorten die Überlebensrate zu bestimmen und in kurzfristigen Fluchttests gegenüber den reinem Cry-Proteinen das Verhalten der Organismen erfasst. Alle Daten wurden statistisch auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin untersucht. Die Haltung und Zucht von T. caelestialium unter Laborbedingungen konnte angepasst und etabliert werden. Eine Gefährdung durch die aufgenommenen Cry-Proteine ließ sich im Full-Life-Cycle Test nicht zeigen. Im Zeitrahmen von sechs Stunden konnte eine komplette Ausscheidung/Abbau der Proteine gezeigt werden. Die Bioaktivität der Proteine in den Wanzen konnte in einem ersten Ansatz gezeigt werden. Im kurzfristigen Laborversuch mit L. terrestris konnte mit mindestens 100-fach erhöhter Bodenkonzentration im Vergleich zum Freiland kurzfristig kein Fluchtverhalten durch die reinen Cry-Proteine auf Adulte hervorgerufen werden. Die langfristigen Versuchsansätze mussten aufgrund methodischer Probleme abgebrochen werden und zeigten die Schwierigkeiten auch etablierter Modelle auf.

Modern agricultural plants not only shall warrant a high yield, but also shall have resistance against several pests. Genetically modified Bt plants expressing Cry proteins from Bacillus thuringiensis (BERLINER) defend themselves specifically against pests. The maize line DKC 5143-Bt MON 89034 x MON 88017 expresses the Cry1A.105 and Cry2Ab2 against the Ostrinia nubilalis and the Cry3Bb1 against the Diabrotica virgifera virgifera. As all GM plants the risk for the consumer and the environment of these plants has to be assessed. One aspect of those studies is to consider the effects of the new plants on non-target organisms occurring in or next to the field. Therefore the exposition to new plant ingredients and their hazard for the organisms have to be studied in a risk assessment. To get robust and comparable results, working with surrogate species seems to be the best way. In this project arthropods of the herb layer and earthworms were chosen due to their important role in the field to show advantages and disadvantages of different approaches. Part A of the project dealt with the effects of growing the stacked maize line in a field release experiment on the biocoenosis of the soil, the herb layer and the male flowers. To study those, the Bt line was compared during three consecutive growing seasons to its near isogenic line, two conventional lines and a soil insecticidal treatment against Diabrotica virgifera virgifera. All sampled organisms were determined to family or species level and the data statistically analyzed. The measured communities showed no effect of the GM maize line. An influence of the conventional varieties could be observed. The GM maize line matched with the near isogenic line. Trigonotylus caelestialium (KIRKALDY) could be identified as the most abundant plant bug in the field. Therefore it was chosen as a surrogate species in part B of the project. Additionally the earthworm Lumbricus terrestris LINNAEUS as an established model was chosen and both studied in the laboratory. A concept to breed and keep T. caelestialium under controlled conditions was established and the fate of the ingested Cry proteins studied. A full life cycle test with all used maize varieties was performed. Adult L. terrestris were treated with pure Cry proteins or GM leaves in an earthworm avoidance test. A long term study with dried leaves or plants of all used maize lines was performed over 200 days. All data were statistically analyzed. T. caelestialium could be used as a model. A hazard of the ingested Cry proteins could not be observed. Hints for an accumulation could not be shown. After six hours an internal content of the proteins was no longer measurable. In the full life cycle test effects of conventional varieties could be observed. The bioactivity of the ingested Cry proteins could be shown in a first experiment. L. terrestris showed no avoidance of the pure Cry proteins in 100fold concentrations higher than those measured in the field. Due to methodical problems the long term approach had to be cancelled.

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