Wie RNA-Sprays den Pflanzenschutz revolutionieren

Die Landwirtschaft steht unter enormem Druck: Immer mehr chemische Pflanzenschutzmittel verlieren seit dem Green Deal der EU-Kommission ihre Zulassung während neu auftretende wie altbekannte Schädlinge und Krankheitserreger die Ernten weltweit massiv beeinträchtigen.

Hoffnung macht jetzt eine neue, innovative Technologie, die verspricht, Pflanzen ohne Chemie und Gentechnik zu schützen. Und im Zentrum dieser Entwicklung steht eine Pionierin: Prof. Aline Koch. Vor über zehn Jahren veröffentlichte sie die weltweit erste Publikation über das Verfahren, das jetzt die Landwirtschaft revolutionieren könnte.

Die Technologie selbst beruht auf RNA. RNA (Ribonukleinsäure) ist ein natürlicher Bestandteil aller Lebewesen und spielt eine zentrale Rolle bei der Umsetzung genetischer Informationen. Während bei Menschen, Tieren und Pflanzen die DNA das Erbgut trägt, nutzen viele Viren RNA als genetisches Material. In diesen Fällen liegt sie häufig in einer doppelsträngig (dsRNA) Form vor. 
 

Diese dsRNA kann auch gezielt im Labor hergestellt werden (ähnlich zu mRNA-Impfstoffen). Gelangt sie in die Zelle eines Schädlings, beispielsweise eines Kartoffelkäfers, wird sie dort fälschlicherweise als Virus erkannt. Die Zelle aktiviert daraufhin einen natürlichen Abwehrmechanismus, der darauf ausgelegt ist, ursprünglich virale RNA zu zerstören. 

Enzyme zerschneiden die dsRNA und nutzen die entstandenen Schnipsel als Vorlage, um alles abzubauen, was dieselbe Struktur besitzt wie diese Schnipsel. Entsprechen sie einem Gen des Schädlings, wird auch dieses zerstört. 

Dieser natürliche, zelleigene Prozess wird RNA-Interferenz (RNAi) genannt und ermöglicht es gezielt, einzelne Gene auszuschalten. Dieses Prinzip lässt sich für den Pflanzenschutz nutzen. Kennt man die genetische Sequenz eines lebenswichtigen Gens eines Schädlings, kann eine passende dsRNA hergestellt und auf die Blätter der zu schützenden Pflanze aufgebracht werden. 

Nimmt der Schädling diese dsRNA beim Fressen auf, wird das Zielgen in seinem Körper ausgeschaltet, was letztlich zum Absterben des Schädlings führt. Damit dieser Ansatz wirksam ist, muss die RNA auf der Pflanze ausreichend stabil sein und den Verdauungstrakt des Insekts unbeschadet passieren.

RNA-Interferenz: Gene gezielt ausschalten, ohne ins Genom einzugreifen

Zu Beginn arbeitete die Forscherin daran, den RNAi-Mechanismus mithilfe gentechnisch veränderter Pflanzen für den Pflanzenschutz nutzbar zu machen. Dabei wird das Erbgut der Pflanze so verändert, dass sie selbst RNA-Moleküle produzieren, welche die Schädlinge gezielt ausschalten. Solche gentechnischen Verfahren sind jedoch aufwendig, langwierig und in der Landwirtschaft gesellschaftlich nur begrenzt akzeptiert. „Wir haben uns deshalb gefragt, ob es auch ohne Gentechnik geht“, so Aline Koch. 

Ihre entscheidende Idee: Anstatt das Erbgut der Pflanze dauerhaft zu verändern, sollte die RNA auf die Blätter gesprüht werden, um den Mechanismus der RNAi gezielt auszulösen ohne genetische Veränderungen und als Alternative zu konventionell-chemischen Pestiziden.

Aline Kochs erster Versuch war denkbar einfach: Koch sprühte dsRNA auf die Blätter ihrer Versuchspflanzen. Das Experiment, das sie damals an der Universität Gießen durchführte, funktionierte. Die Pflanzen nahmen die RNA auf, und die Moleküle entfalteten ihre schützende Wirkung in den Zellen. Das Ergebnis führte zur weltweit ersten wissenschaftlichen Veröffentlichung zur Nutzung von gesprühter RNA im Pflanzenschutz. Das war der Ausgangspunkt für einen neuen, innovativen Ansatz hin zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft.
 

Molekulares Design und Spezifität

„Der entscheidende Vorteil liegt in der hohen Zielgenauigkeit“, erklärt Koch. RNA wirkt sequenzspezifisch, sie bindet nur an das gewünschte Zielgen, während andere sogenannte, Nicht-Zielorganismen unbeeinflusst bleiben. Gerade im Vergleich zu vielen konventionellen Pflanzenschutzmitteln ist das ein wesentlicher Unterschied.

Ob diese Sequenzpräzision auch außerhalb des Labors zuverlässig funktioniert, hängt vom molekularen Design ab. Die RNA-Sequenzen müssen so ausgewählt werden, dass sie ausschließlich zum Zielgen des Schädlings passen, d.h. keine Entsprechungen in Nicht-Zielorganismen haben. Parallel dazu spielt die Formulierung eine zentrale Rolle: Die RNA muss auf den Blättern haften, Umweltfaktoren wie UV-Strahlung, Hitze und Regen standhalten und schließlich in wirksamer Menge in den Schädling gelangen.
Besonders gut geeignet ist dieser Ansatz für blattfressende Insekten wie der Kartoffelkäfer, weil die Aufnahme direkt über den Blattfraß erfolgt. Dass Ende 2023 in den USA erstmals ein RNAi Biopestizide gegen den Kartoffelkäfer zugelassen wurde, unterstreicht das Potenzial der RNA-Sprays und zeigt die internationale Dynamik des Forschungsfeldes. 

Deutlich anspruchsvoller ist die Anwendung bei Krankheitserregern wie Pilzen, Bakterien oder pflanzliche Viren, die das Innere des Pflanzengewebes besiedeln und infizieren. Hier muss die RNA nicht nur stabil bleiben, sondern gezielt an ihren Wirkort gelangen – eine Herausforderung, die in ihrer Komplexität der Wirkstoffformulierung in der Humanmedizin ähnelt.

Aus der Pionierleistung von damals ist in Regensburg inzwischen eine Plattformtechnologie gereift, die schrittweise den Weg vom Labor in Richtung Feldanwendung geht – mit erheblicher gesellschaftlicher Relevanz. Für ihre Arbeiten auf dem Gebiet des RNA-basierten Pflanzenschutzes wurde Koch zuletzt mit dem Julius-Kühn-Preis der Deutschen Phytomedizinischen Gesellschaft ausgezeichnet. 
 

Zulassungsprozess als Hürde

In Deutschland müssen RNA-Wirkstoffe derzeit denselben aufwendigen Zulassungsprozess durchlaufen wie chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel. Dieser erstreckt sich häufig über viele Jahre, mit entsprechend hohen Kosten. Gleichzeitig stehen Landwirtinnen und Landwirte in mehreren Kulturen zunehmend ohne regulär zugelassene Alternativen da. Weil viele Wirkstoffe inzwischen ihre Zulassung verloren haben, sind sie sind gezwungen auf zeitlich befristete Notfallzulassungen zurückzugreifen. 

Vor diesem Hintergrund arbeitet das Regensburger Team gemeinsam mit Expertinnen und Experten aus Zulassungsbehörden daran, Bewertungsverfahren an die biologische Besonderheit von RNA anzupassen: Prüfschritte, die für RNA wissenschaftlich nicht relevant sind, sollen entfallen, während RNA-spezifische Module ergänzt werden. Das Ziel ist ein regulatorischer Rahmen, der Sicherheit gewährleistet, Innovation ermöglicht und zugleich dem akuten Handlungsdruck in der landwirtschaftlichen Praxis Rechnung trägt.

Aline Koch wird regelmäßig von Fachverbänden eingeladen, die Technologie vorzustellen. Die Resonanz ist groß. „Für die Landwirte ist das ein echter Lichtblick. Normalerweise hören sie dort vor allem Vorträge über Pflanzenschutzmittel, die künftig nicht mehr angewandt werden dürfen“, sagt die Biologin. 
Aktuell beschäftigt die Landwirte insbesondere die Schilfglasflügelzikade, die sich zunehmend auf Anbauflächen in Deutschland ausbreitet. Sie saugt an Pflanzenteilen und überträgt bakterielle Krankheitserreger, die schwere Pflanzenkrankheiten verursachen. Besonders betroffen sind derzeit vor allem Zuckerrüben, Experten befürchten jedoch, dass bald auch der Kartoffelanbau erheblich unter Druck geraten könnte.
 

Innerdeutsche Kooperation

Koch und ihr Team sind gerüstet. „Da wir sehr früh mit unserer Forschung angefangen haben, haben wir uns international einen deutlichen Wissensvorsprung erarbeitet, insbesondere beim Verständnis, wie die RNA von den Zellen aufgenommen und weiterverarbeitet wird“, so Koch. Um dieses Wissen in die Anwendung zu bringen, arbeitet ihr Team mit der Münchener Biotech-Firma siTOOLs Biotech GmbH – einer Ausgründung der Universität Regensburg – zusammen. 

Die Firma hält die notwendigen Patente, um RNA in der erforderlichen Qualität und Menge zu produzieren. „Derzeit beziehen viele deutsche Labore ihre RNA aus dem Ausland“, erklärt Koch. „Mit siTOOLs können wir die Wertschöpfung in Deutschland halten und sind unabhängiger von internationalen Lieferketten.“
 

Die Vision: mRNA als temporärer Bauplan

Für Koch birgt die Nutzung einer anderen RNA aber noch weitaus größere Potenziale: die mRNA. Die mRNA ist eine Art Bauplan-Kopie der DNA und bringt diese Information zu den Eiweißfabriken der Zelle, den Ribosomen. Dort wird der Bauplan Schritt für Schritt gelesen und aus vielen kleinen Bausteinen genau das Protein zusammengesetzt, das die Zelle gerade benötigt. Die Nutzung von mRNA-Sprays, die beispielsweise für Resistenzgene codieren könnten helfen, Virusresistenzen in Tomaten wiederherzustellen. 

Auch in der Pflanzenzüchtung eröffnet mRNA neue Möglichkeiten, um bestimmte Züchtungswege gezielt zu beschleunigen und damit Kosten zu sparen.
Während RNAi Gene vorübergehend „leiser stellt“, könnten mRNA-Sprays der Pflanze eine zeitlich begrenzte Bauanleitung für ein nützliches Protein liefern. Die Wirkung ist temporär: Die gesprühte mRNA integriert sich nicht in das Genom der Pflanze, es findet keine dauerhafte genetische Veränderung statt.

„Die technologischen Vorteile wären erheblich“, sagt Koch. Während die Entwicklung einer gentechnisch veränderten Pflanze 10–15 Jahre dauert und mehrere Millionen Euro kosten kann, lässt sich mRNA innerhalb weniger Tage designen, herstellen und formulieren. Die Technologie eignet sich damit sowohl für den Pflanzenschutz als auch für Anwendungen in der Pflanzenzüchtung.
 

Vom Labor aufs Feld: Projekte und Anwendungsfälle

Die Regensburger Gruppe entwickelt gemeinsam mit Industriepartner praxisnahe RNA-Lösungen, etwa gegen Drahtwürmer in Kartoffeln, die Schilfglasflügelzikade in Zuckerrüben, Viroide in Hopfen und Pilzerkrankungen bei Hortensien. Diese Projekte zeigen, wie eng Grundlagenforschung, Applikationsforschung und Feldpraxis ineinandergreifen. 

Die Abteilung von Aline Koch ist in den vergangenen Jahren deutlich gewachsen und vereint heute rund 15 bis 20 Forschende, darunter mehrere Postdocs und Doktorandinnen und Doktoranden. Neben RNAi und mRNA sondiert das Team weitere Innovationspfade wie zirkuläre RNAs, die besonders stabil sein könnten. Diese Forschungsrichtung befindet sich in einem frühen Stadium und konzentriert sich zunächst auf die Produktion, Stabilität und den Nachweis biologischer Aktivität.
Ihre Labore an der Universität Regensburg verbinden innovative, zukunftsweisende Ideen mit praxisnaher Umsetzung: Nicht jedes Ziel lässt sich im Feld gleich gut realisieren. 

Das Wissen um Machbarkeit, Grenzen und die richtigen Formulierungsstrategien macht die Pionierarbeit aus. In Zeiten sinkender Verfügbarkeit chemischer Wirkstoffe, steigender regulatorischer Anforderungen und wachsender Bedeutung landwirtschaftlicher Resilienz wird die Notwendigkeit innovativer Lösungen immer deutlicher. Ihre Forschung zeigt, wie solche Innovationen wissenschaftlich fundiert und zugleich praxisnah umgesetzt werden können. Dabei stehen Nachhaltigkeit, gesellschaftliche Akzeptanz und das Vertrauen der Verbraucherinnen und Verbraucher im Mittelpunkt.

Kontakt

Prof. Dr. Aline Koch
Fakultät für Biologie und Vorklinische Medizin
Universität Regensburg
Tel: +49-941 943-4910
E-Mail: Aline.Koch​@​ur.de