Millionen Fliegen für weniger Schädlinge  

Interview: querFELDein

Herr Prof. Schetelig, warum züchten Sie Mittelmeerfruchtfliegen und lassen sie anschließend frei, wenn Sie die Schädlinge eigentlich reduzieren wollen?

Marc Schetelig: Dahinter steckt die sogenannte „Sterile Insektentechnik“. Wenn wir invasive Schädlingsinsekten in einer Region reduzieren wollen, bekämpfen wir sie gewissermaßen mit ihren eigenen Artgenossen. Dafür züchten wir die Insekten zunächst in großen Mengen. Noch im Puppenstadium sortieren wir die Weibchen aus und sterilisieren die Männchen – unter anderem mit Röntgen- oder Gammastrahlung.

Die sterilisierten Männchen werden anschließend freigelassen und paaren sich mit den wildlebenden Weibchen. Dabei entstehen jedoch keine lebensfähigen Nachkommen, wodurch die Population nach und nach zurückgeht. Das passiert in mehreren Runden. Auf Inseln kann das relativ schnell funktionieren, in größeren Regionen dauert es oft Jahre. Der ökonomische Vorteil zeigt sich aber von Anfang an, da die Zahl der Schädlinge fortlaufend sinkt.

Wie schafft man es überhaupt, Insekten zu bestrahlen?

Schetelig: Die Röntgenbestrahlung findet ausschließlich im Labor beziehungsweise in speziellen Zuchtanlagen statt, in denen wir die Insekten vermehren, bevor sie später freigelassen werden. Dabei arbeiten wir mit genau definierten Strahlendosen und unter kontrollierten Bedingungen. Die freigelassenen Insekten sind anschließend natürlich nicht radioaktiv.

Warum arbeitet Ihr Team mit Strahlung?

Schetelig: Mit Strahlung erreichen wir eine sehr hohe Sterilisierungsrate, ohne die Tiere so stark zu beeinträchtigen, dass sie sich später nicht mehr erfolgreich paaren könnten. Das ist wichtig, denn die Männchen müssen sich in der freien Wildbahn weiterhin gegen ihre wildlebenden Konkurrenten bei den Weibchen durchsetzen.

Die Bestrahlung erfolgt deshalb erst ganz am Ende des Puppenstadiums. Zu diesem Zeitpunkt ist die Mittelmeerfruchtfliege bereits nahezu vollständig entwickelt. Es finden also kaum noch Zellteilungen statt, die durch die Strahlung beeinflusst werden könnten – mit Ausnahme der Fortpflanzungszellen. Genau dort soll die Wirkung stattfinden.

Warum trennt Ihr Team männliche und weibliche Tiere vor der Bestrahlung? Warum sterilisiert man nicht einfach alle Insekten?

Schetelig: Das hängt von der jeweiligen Insektenart ab. Bei der Mittelmeerfruchtfliege sind die Weibchen die Schädlinge, die Männchen stellen gar keinen Schaden an. Ähnlich ist es bei Moskitos: Auch dort sind die Weibchen für uns problematisch und nicht die Männchen.

Jetzt müssen wir die enorme Zahl an Insekten bedenken, mit denen wir arbeiten. Wenn in einer Region beispielsweise eine Million Schädlinge vorkommen, produzieren wir etwa das Hundertfache davon, also rund 100 Millionen sterilisierte Tiere. Würde von diesen zusätzlich in der Landschaft freigelassenen 100 Millionen Insekten die Hälfte aus Weibchen bestehen, würde das den Nutzen der Methode deutlich reduzieren und könnte zusätzlichen Schaden verursachen.

Unsere Untersuchungen zeigen zudem, dass die Methode drei- bis fünfmal effektiver ist, wenn wir ausschließlich Männchen freisetzen. Und bei diesen Zahlen ist natürlich auch der Kostenfaktor wichtig: Bevor wir Hunderte Millionen oder sogar Milliarden Tiere freilassen, müssen wir diese schließlich produzieren, versorgen und halten. Je nach Insektenart kann es aber durchaus sinnvoll sein, einfach beide Geschlechter zu sterilisieren.

Wie unterscheidet sich die Strahlungsbehandlung von anderen Züchtungs- oder gentechnischen Verfahren?

Schetelig: Hier muss man zwischen zwei Anwendungen unterscheiden. Für die Sterile Insektentechnik nutzen wir Strahlung ganz am Ende der Produktion, um die Männchen unfruchtbar zu machen.

Strahlung kann aber auch in der klassischen Züchtung eingesetzt werden, um genetische Variation zu erzeugen. Dabei entstehen viele Veränderungen in der DNA gleichzeitig. Anschließend beobachtet man, welche Eigenschaften sich entwickeln, und wählt diejenigen aus, die für die Züchtung interessant sind. In unserem Beispiel waren die weiblichen Puppen schließlich weiß, während die Tiere ansonsten gesund blieben. Der Erfolg mit den unterschiedlich gefärbten Puppen war das Ergebnis von mehr als 30 Jahren Arbeit mit Strahlung, Chemie und auch etwas Glück.

Wir versuchen derzeit, solche Prozesse mit CRISPR schneller und präziser nachzubilden. Allerdings würden die Insekten dann als gentechnisch veränderte Organismen gelten, was deutlich strengere Regulierungen nach sich zieht.

Ihr Team verwendet Strahlung also für zwei verschiedene Aufgaben: einmal, um bestimmte Veränderungen in der DNA der Tiere herbeizuführen und später, um die Insekten zu sterilisieren. Was passiert bei der eigentlichen Sterilisierung?

Schetelig: Die Tiere bleiben vital, flugfähig und paarungsaktiv. Entscheidend ist, dass ihre Fortpflanzungszellen so verändert werden, dass aus einer Paarung keine lebensfähigen Nachkommen mehr entstehen. Genau deshalb ist der Zeitpunkt der Bestrahlung so wichtig: spät im Puppenstadium, wenn das Tier bereits weitgehend entwickelt ist und die Behandlung vor allem die Keimzellen betrifft.

Gerade bei dieser Geschlechtertrennung gab es in den vergangenen Jahren große Fortschritte. Wie ist Ihnen der Durchbruch gelungen?

Schetelig: Der große Maßstab ist dabei entscheidend. Wir sprechen nicht über ein Labor mit ein paar hundert Fliegen, sondern über mehrere Milliarden Tiere pro Woche. Eine händische Trennung wäre personell kaum machbar und zudem fehleranfällig.

Der Durchbruch kam über die Puppenfarbe. Die Puppen der Mittelmeerfruchtfliege sind normalerweise braun. Bereits 1979 wurden jedoch zufällig auch weiße Puppen entdeckt. Über viele Jahre wurde dann daran gearbeitet, diese Eigenschaft an das geschlechtsbestimmende Chromosom zu koppeln – übrigens ebenfalls mithilfe klassischer Mutageneseverfahren, zu denen auch Strahlung gehört. Bei uns in der Zuchtanlage sind die weiblichen Puppen nun weiß und die männlichen braun. Dadurch lassen sich die Geschlechter zuverlässig und in großem Maßstab trennen.

Wie sortiert man Milliarden winziger Puppen nach Farbe? Vermutlich auch nicht per Hand.

Schetelig: Nein, dafür nutzen wir tatsächlich eine Reissortiermaschine. Die erkennt farbliche Unterschiede und sortiert so Weibchen und Männchen in verschiedene Boxen. Am Ende verwenden wir die Männchen dann für die Freilassungen.

Wie oft paaren sich die Weibchen der Mittelmeerfruchtfliege und müssen alle ihre Partner sterilisiert sein, damit die Nachkommen reduziert werden?

Schetelig: Die Weibchen paaren sich mehrfach und warten nicht erst, bis die Spermien eines Partners verbraucht sind. Die Nachkommen können deshalb aus Spermien verschiedener Paarungspartner entstehen. Genau deshalb setzen wir sehr große Mengen sterilisierter Männchen frei: Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Weibchen mit einem sterilen Männchen paart, soll deutlich höher sein als die Paarung mit einem wildlebenden Konkurrenten.

Wichtig ist außerdem, dass die Männchen gemeinsam mit den Spermien ein sogenanntes Seminalfluid mit vielen Proteinen übertragen. Das nehmen die Weibchen wahr. Wir dürfen deshalb keine Männchen erzeugen, die gar keine Spermien mehr besitzen – das würden die Weibchen bemerken und eher nach einem neuen Partner suchen.

Werden dagegen Spermien mit entsprechend verändertem Erbgut übertragen, kann die Eizelle zwar zunächst befruchtet werden, die weiteren Zellteilungen und die gesamte Entwicklung kommen aber zum Stopp. Genau darauf beruht die Sterilität, mit der wir arbeiten.

Wie lassen Sie schließlich die sterilisierten Mittelmeerfruchtfliegen frei?

Schetelig: Das hängt von der Größe der Region und der Anzahl der Tiere ab. Im kleinsten Maßstab fährt man tatsächlich mit dem Auto durch die Region und hängt Papierbeutel mit etwa 3000 bis 4000 Insekten gezielt in der Region auf, wo die Schädlinge nachgewiesen wurden – zum Beispiel in Obstbäumen. Die Tiere schlüpfen dann direkt im Beutel und erhalten dort auch ihre erste Nahrung. Dieses Verfahren wird auch bei Moskitos eingesetzt.

Es gibt außerdem Autos, die die Insekten kontrolliert freisetzen und genau steuern können, wie viele Tiere pro Minute ausgebracht werden. In schwer zugänglichem Gelände stoßen solche Methoden allerdings an ihre Grenzen. In Hanglagen kommen teilweise noch Motorräder zum Einsatz. Für sehr große Regionen nutzt man dagegen kleine Flugzeuge mit GPS-Systemen, die die Tiere aus mehreren hundert Metern Höhe freisetzen.

Hilfreich sind dabei natürliche Gebietsgrenzen, über die es die Insekten nicht so einfach hinwegschaffen, etwa große Gebirgszüge, Wälder oder größere Gewässer.

Bei dem Begriff Schädlingsinsekt denkt man derzeit schnell auch an die Schilf-Glasflügelzikade. Kann die Sterile Insektentechnik auch hier helfen?

Schetelig: Die Schilf-Glasflügelzikade und die von ihr übertragenen Erreger verursachen große Probleme im Zuckerrüben- und Kartoffelanbau. Auch weitere Kulturen können betroffen sein. Ob die Sterile Insektentechnik hier helfen könnte, ist derzeit jedoch offen.

Zwar pflanzen sich die Zikaden sexuell fort und lassen sich grundsätzlich im Labor züchten. Für einen praktischen Einsatz müssten aber unter anderem eine geeignete Sterilisationsmethode, die Paarungskonkurrenz steriler Männchen und die erforderlichen Freisetzungsmengen untersucht werden. Bei der Schilf-Glasflügelzikade ist zudem zu beachten, dass auch die Männchen einen der maßgeblichen Krankheitserreger auf Pflanzen übertragen können. Sterilisierte Tiere wären daher nicht automatisch ungefährlich. Es müsste sichergestellt werden, dass möglichst ausschließlich pathogenfreie Männchen freigesetzt werden und von ihnen kein relevantes zusätzliches Übertragungsrisiko ausgeht. Die Entwicklung der Nymphen im Boden erschwert zudem Bekämpfung und Monitoring, schließt Sterile Insektentechnik aber nicht grundsätzlich aus, da sie über die Fortpflanzung adulter Tiere wirkt. Wegen des langen Entwicklungszyklus und möglicher Wiederzuwanderung wäre jedoch ein großräumiges, integriertes Management notwendig.

Sterile Insektentechnik ist allgemein besonders effizient, wenn die Wildpopulation bereits niedrig ist. Denkbar wäre deshalb, sie zunächst mit pflanzenbaulichen oder anderen geeigneten Maßnahmen zu senken und anschließend durch wiederholte Freisetzungen steriler Männchen niedrig zu halten. Ob sich dadurch bei dieser Zikade der Insektizideinsatz deutlich reduzieren lässt, müsste allerdings erst in Feldversuchen gezeigt werden.

Hinweis zum Beitrag:

Bei der Erstellung dieses Beitrags kamen KI-Tools für Transkription, Textredaktion und Lektorat zum Einsatz. Die inhaltliche Redaktion erfolgte ausschließlich durch querFELDein sowie den beteiligten Forschenden der Partnerinstitute.