Zürich-Reckenholz, Switzerland
21.04.2020
Um Schädlinge ohne Pestizideinsatz zu bekämpfen, könnte man gentechnisch veränderte Artgenossen nutzen. Diese tragen ein Gen, das sich bei der Fortpflanzung überdurchschnittlich häufig vererbt. Es besitzt Eigenschaften, die den Schädling direkt schwächen oder verhindern, dass Krankheitserreger übertragen werden. Doch wie lassen sich die Umweltauswirkungen solcher Gene-Drive-Elemente erfassen und bewerten? Fachleute von Agroscope haben dazu eine Konzeptstudie verfasst.
Der Einsatz von gentechnisch veränderten Insekten mit Gene Drives zur Schädlingsbekämpfung wird international diskutiert (siehe unten). Diese Methode könnte eine attraktive neue Möglichkeit darstellen, Schädlinge auch ohne Pestizide effizient zu bekämpfen. Bevor solche Organismen freigesetzt werden, sind zwingend mögliche Auswirkungen auf die Umwelt abzuklären. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Biodiversität nicht geschädigt wird.
Nur, wie macht man das? Agroscope zeigt nun auf, dass sich dazu Erfahrungen nutzen lassen, die mit etablierten Technologien gemacht wurden, bei denen lebende Organismen freigesetzt werden. Unter diesen Technologien befinden sich auch die Methode der klassischen biologischen Schädlingsbekämpfung.
Schädlingspopulationen mit Gene Drives bekämpfen
Bei der Fortpflanzung wird jeweils die Hälfte des Erbguts von jedem Elternteil weitergegeben. Daher wird jedes Gen im Normalfall an die Hälfte der Nachkommen vererbt. Gene-Drive-Elemente sorgen dafür, dass sie an viel mehr Nachkommen weitervererbt werden als es normalerweise der Fall ist. So können bestimmte Eigenschaften verstärkt in eine Population eingebracht werden. Dies gilt auch für Eigenschaften, die für die Organismen nachteilig sind.
Doch wie geht das und was bewirken Gene Drives? Mit molekularbiologischen Methoden lassen sich Insekten im Labor gentechnisch so verändern, dass sie ein Gene-Drive-Element tragen. Richtig eingesetzt, kann die Technologie eine Insektenpopulation nachhaltig verändern. Dies kann heissen, dass ein Insekt damit einen Krankheitserreger nicht mehr übertragen kann. Oder eine Schädlingspopulation lässt sich verkleinern oder gar lokal auslöschen.
Umweltauswirkungen prüfen
Grosse Bedenken wurden hinsichtlich möglicher Umweltauswirkungen dieser Technologie geäussert. Einerseits, weil solche Insekten mit Hilfe der Gentechnologie erzeugt und anschliessend freigesetzt werden sollen. Andererseits könnten Gene Drives global zur Ausrottung einer Art führen. Ausserdem wird befürchtet, dass die Gene-Drive-Elemente auch auf andere Insektenarten übertragen werden und dort Schaden anrichten könnten.
Die Frage ist also, wie sich die Umweltauswirkungen im Rahmen einer Risikoabschätzung prüfen lassen, bevor solche Organismen freigelassen werden.
Jörg Romeis und Jana Collatz von der Forschungsgruppe Biosicherheit bei Agroscope sind dieser Frage zusammen mit Experten vom National Institute of Public Health and the Environment in den Niederlanden und der Oxford University in England nachgegangen. In einem gerade in der Zeitschrift Environmental Science & Policy erschienenen Artikel legen sie dar, dass die Gene-Drives-Technologie keine grundsätzlich neuartigen Umweltrisiken mit sich bringt im Vergleich zu etablierten Schädlingsbekämpfungsmethoden (siehe unten), die ebenfalls auf der Freisetzung von lebenden Organismen beruhen. Auch bei diesen Methoden können sich die freigesetzten Organismen etablieren und verbreiten. Die Umweltbeurteilung von Insekten mit Gene Drives kann daher auf die Erfahrung im Umgang mit den etablierten Methoden aufbauen.
Was sind Gene Drives?
Gene Drives sind "selbstsüchtige" genetische Elemente, welche bei der sexuellen Vermehrung dazu führen, dass bestimmte Gene viel häufiger als üblich an die Nachkommen weitervererbt werden. Solche Gene-Drive-Elemente kommen natürlicherweise vor. Neue molekulare Verfahren ermöglichen es, Gene Drives künstlich in einen Organismus einzufügen. Werden sie an ein Gen geknüpft, welches für eine bestimmte Eigenschaft verantwortlich ist, so kann diese Eigenschaft innerhalb weniger Generationen in eine Population "eingetrieben" werden. Dies gelingt auch, wenn die Eigenschaft einen Nachteil für die Organismen mit sich bringt.
Die Technologie kann verwendet werden, um den Zusammenbruch einer Insektenpopulation herbeizuführen oder um eine Population in eine bestimmte Richtung zu verändern. So können zum Beispiel Stechmücken so verändert werden, dass sie dem Malariaerreger nicht mehr als Wirt dienen können.
Voraussetzung für das Funktionieren von solchen künstlichen Gene Drives sind die sexuelle Vermehrung der Organismen und eine kurze Generationszeit. Beides ist im Falle der meisten Insekten gegeben.
Etablierte Methoden der Schädlingsbekämpfung
Bei der klassischen biologischen Schädlingsbekämpfung werden natürliche Gegenspieler aus dem Ursprungsgebiet exotischer Schädlinge freigesetzt, damit sie heimisch werden.
Bei der sterilen Insektentechnologie wird die Schädlingspopulation überschwemmt mit Massen von unfruchtbaren, im Labor gezüchteten Artgenossen. Dies hat zur Folge, dass aus Paarungen keine lebensfähigen Nachkommen mehr entstehen. Die Sterilisation erfolgt durch Radioaktivität oder mit Hilfe der Gentechnik.
Referenz
Romeis J, Collatz J, Glandorf DCM, Bonsall MB (2020) The value of existing regulatory frameworks for the environmental risk assessment of agricultural pest control using gene drives. Environmental Science & Policy 108, 19-36, https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.02.016
Contrôle des ravageurs au moyen d’insectes génétiquement modifiés – Évaluation de l’impact sur l’environnement
Pour contrôler les ravageurs sans pesticides, on pourrait utiliser des congénères génétiquement modifiés. Ces derniers sont porteurs d’un gène transmis à la descendance plus fréquemment que la moyenne. Le gène en question possède des propriétés qui affaiblissent directement le ravageur ou qui empêchent la transmission d’agents pathogènes. Mais comment établir et évaluer les effets sur l’environnement de ce forçage génétique? Des experts d’Agroscope ont réalisé une étude conceptuelle sur le sujet.
L’utilisation d’insectes modifiés par forçage génétique, comme moyen de contrôle des ravageurs, fait l’objet de discussions à l’échelle internationale (voir ci-dessous). Cette nouvelle méthode permettrait de lutter efficacement contre les ravageurs, sans recourir aux pesticides. Avant de disséminer de tels organismes, il est impératif d’en déterminer l’impact possible sur l’environnement. Il faut éviter en particulier les atteintes à la biodiversité.
Mais comment faire? Pour y répondre, Agroscope montre que l’on peut s’appuyer sur les expériences d’autres technologies établies impliquant également la libération d’organismes vivants. Parmi ces technologies figurent notamment les méthodes de lutte biologique classique contre les ravageurs.
Contrôler les populations de ravageurs au moyen du forçage génétique
Lors de la reproduction sexuée, chacun des parents transmet à la génération suivante la moitié de son patrimoine génétique. En règle générale, chaque gène est donc hérité par la moitié des descendants. Les éléments de forçage génétique assurent que les gènes souhaités soient transmis à beaucoup plus de descendants que ce n’est le cas normalement. On parvient ainsi à renforcer l’intégration de certains traits dans une population. Cela se produit même lorsque ces traits sont préjudiciables aux organismes en question.
Mais comment fonctionne ce forçage génétique et qu’apporte-t-il? Grâce à des méthodes de biologie moléculaire, on peut aujourd’hui modifier génétiquement des insectes en laboratoire, de manière à les rendre porteurs d’un élément de forçage génétique. Appliquée correctement, cette technologie peut modifier durablement une population d’insectes, avec pour conséquence, par exemple, que ceux-ci ne puissent plus transmettre un agent pathogène, ou alors que la population soit réduite, voire anéantie localement.
Évaluer l’impact sur l’environnement
L’impact possible sur l’environnement d’une telle technologie suscite cependant d’importantes réserves. D’une part, parce que ces insectes seraient issus du génie génétique, puis disséminés dans l’environnement. D’autre part, parce que le forçage génétique pourrait en principe entraîner l’extinction d’une espèce. De plus, il est à craindre que les éléments de forçage génétique soient transmis à d’autres espèces d’insectes et provoquent des dommages à ce niveau.
Avant de libérer de tels organismes, il faut donc se demander comment les effets sur l’environnement peuvent être analysés, dans le cadre d’une évaluation des risques.
Jörg Romeis et Jana Collatz du groupe de recherche Biosécurité d’Agroscope se sont penchés sur cette question, en collaboration avec des experts du National Institute of Public Health and the Environment des Pays-Bas et de l’Université d’Oxford en Angleterre. Dans un article de la revue Environmental Science & Policy récemment publié, ils constatent que la technologie de forçage génétique ne présente pas de risques fondamentalement nouveaux pour l’environnement, par rapport à certaines méthodes de lutte établies contre les ravageurs (voir ci-dessous). Ces méthodes qui reposent également sur la libération d’organismes vivants permettent en effet aux organismes disséminés de s’établir et de se propager. L’évaluation de l’impact environnemental d’insectes porteurs de gènes forcés peut donc s’appuyer sur l’expérience acquise avec d’autres méthodes établies.
Qu’est-ce que des gènes forcés?
Les gênes forcés sont des éléments génétiques «égoïstes» qui, au cours de la multiplication sexuée, induisent la transmission de certains gènes à la descendance, de manière bien plus fréquente qu’habituelle. Ces éléments de forçage génétique existent à l’état naturel. De nouvelles méthodes moléculaires permettent d’insérer artificiellement des éléments de forçage génétique dans un organisme. S’ils sont liés à un gène responsable d’un certain trait, ce trait peut être intégré dans une population en quelques générations. Cela se produit même lorsque le trait est préjudiciable aux organismes porteurs.
Cette technologie peut être utilisée pour provoquer l’effondrement d’une population d’insectes ou pour la modifier dans une direction définie. Il est par exemple possible de modifier les moustiques vecteurs du paludisme, de sorte qu’ils ne puissent plus servir d’hôte à l’agent pathogène.
Pour que le forçage génétique artificiel fonctionne, il faut que la reproduction des organismes soit sexuée et que les cycles générationnels soient courts, conditions qui se vérifient pour la plupart des insectes.
Méthodes de lutte établies contre les ravageurs
En lutte biologique classique, des antagonistes naturels sont importés des zones d’origine des ravageurs exotiques et libérés afin qu’ils se «naturalisent».
La technique de l’insecte stérile consiste à inonder les populations de ravageurs de congénères stériles élevés en laboratoire. Les accouplements ont donc de grandes chances de n’engendrer aucune descendance. La stérilisation se fait par irradiation ou par modification génétique.
Référence
Romeis J, Collatz J, Glandorf DCM, Bonsall MB (2020) The value of existing regulatory frameworks for the environmental risk assessment of agricultural pest control using gene drives. Environmental Science & Policy 108, 19-36, https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.02.016
Topics
Species
