Was sind Pflanzenstärkungsmittel und was bewirken sie?

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1 Was sind Pflanzenstärkungsmittel und was bewirken sie? Dr. Alexandra Makulla Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit Braunschweig Die Frage Was sind Pflanzenstärkungsmittel und was können sie? kann aus verschiedenen Perspektiven beantwortet werden. Was Pflanzenstärkungsmittel sind, ist vor allem gesetzlich definiert; was sie können, kann aus Sicht der Wissenschaft und aus Sicht der Praxis beantwortet werden. Gesetzliche Definition Pflanzen sollen gestärkt werden aber wie und wozu? Bei einer unvoreingenommenen Annäherung an den Begriff kommen zunächst zwei Rechtsbereiche in Frage; Das Pflanzenschutzrecht und das Düngemittelrecht. Maßgeblich zur Zuordnung von Produkten ist die Zweckbestimmung, d. h. geht es bei der Anwendung des Produktes um den Schutz der Pflanze vor Schaderregern oder um die Versorgung mit Nährstoffen? Tatsächlich wird im Pflanzenschutzgesetz definiert, was Pflanzenschutzmittel sind (Eigenschaften) und wie sie gesetzlich geregelt sind (Verkehr, Legalisierung und Anwendung). Nach dem Pflanzenschutzgesetz ( 2 Nr. 10 PflSchG) sind Pflanzenstärkungsmittel Stoffe, die ausschließlich dazu bestimmt sind, die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen Schadorganismen zu erhöhen, z. B. Resistenzinduzierer, Pflanzen vor nichtparasitären Beeinträchtigungen zu schützen, z. B. Wundverschlussmittel, für die Anwendung an abgeschnittenen Zierpflanzen außer Anbaumaterial (Blumenfrischhaltemittel). Im Düngegesetz sind hingegen Bodenhilfsstoffe und Pflanzenhilfsmittel folgendermaßen definiert (vgl. 2 DüngG). Bodenhilfsstoffe sind Stoffe ohne wesentlichen Nährstoffgehalt sowie Mikroorganismen, die dazu bestimmt sind, die biologischen, chemischen oder physikalischen Eigenschaften des Bodens zu beeinflussen, um die Wachstumsbedingungen für Nutzpflanzen zu verbessern, die symbiotische Bindung von Stickstoff zu fördern.

2 Pflanzenhilfsmittel sind Stoffe ohne wesentlichen Nährstoffgehalt, die dazu bestimmt sind, auf Pflanzen biologisch oder chemisch einzuwirken, um einen pflanzenbaulichen, produktionstechnischen oder anwendungstechnischen Nutzen zu erzielen, soweit sie nicht Pflanzenstärkungsmittel im Sinne des 2 Nr. 10 des Pflanzenschutzgesetzes sind. Pflanzenstärkungsmittel sind also Produkte, die vorbeugend gegen Schaderreger eingesetzt werden (oder vor abiotischen Beeinträchtigungen schützen und Blumenfrischhaltemittel). Durch die Definition im Pflanzenschutzgesetz ist ausgeschlossen, dass Pflanzenstärkungsmittel direkt gegen Schaderreger wirken dürfen, d. h. sie dürfen keine insektizide, fungizide oder repellierende Wirkung entfalten. Solche Wirkungen werden durch das Pflanzenschutzgesetz den Pflanzenschutzmitteln zugesprochen. Wissenschaftliche Grundlagen Insbesondere bei der Kategorie Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen Schadorganismen stellt sich die Frage nach den naturwissenschaftlichen Grundlagen. Es ist bekannt, das es Pflanzen gibt, die gegen Schaderreger resistent sind, z. B. gegen Mehltau resistente Rosensorten, gegen die Reblaus resistente Weinstöcke. Meistens handelt es sich dabei um Eigenschaften, die in der jeweiligen Sorte permanent vorhanden sind und vererbt werden können (konstitutive Resistenz). Pflanzen können aber auch tatsächlich von außen angeregt werden, (z. B. durch Pathogene oder Herbivore), Verteidigungsmechanismen in Gang zu setzen. Der Vorteil ist, dass die Pflanze diese postinfektionellen Verteidigungswege nur dann beschreitet, wenn sie tatsächlich benötigt werden, denn auch die Pflanze steht vor dem Problem, Ressourcen sinnvoll einzusetzen verteidigen oder wachsen? Dass Pflanzen Schaderreger abwehren können als Reaktion auf eben diesen Schaderreger ist seit mehr als 100 Jahren bekannt. Der Begriff der sogenannten erworbenen oder induzierten Resistenz wurde in den 30er Jahren des vergangenen Jahrshunderts geprägt. Mit den molekularen Nachweismethoden der letzten Jahrzehnte wird seither immer deutlicher, wie die Pflanze bei Kontakt mit Schaderregern reagiert und welche Reaktionen in Folge ablaufen, dass z. B. bestimmte Gene erst abgelesen werden, wenn die Proteine, die sie kodieren, gebraucht werden. Resistenz aufgrund von Abwehrreaktionen Reaktionen der Wirtspflanze werden durch eine molekulare Interaktion ausgelöst, z. B. durch spezifische Rezeptoren an der Außenseite der Zelle. Versucht eine Pilzhyphe in eine Pflanzenzelle einzudringen, trifft sie auf das Plasmalemma. In dieser Membran sitzen Rezeptoren. Bei einer Interaktion zwischen Pilz und Rezeptor verändert sich der Rezeptor, was unmittelbar zu einer Veränderung der Durchlässigkeit der Membran führt. Bestimmte Ionen strömen in die Zelle ein, andere heraus. Dies wiederum ist das Signal für weitere Reaktionen. Beim sogenannten oxidative burst werden starke Oxidantien freigesetzt werden (z. B. Wasserstoffperoxid). Diese wirken unmittelbar auf den Angreifer, allerdings auch auf die Pflanzenzelle. Wasserstoffperoxid löst lokal eine Verstärkung der Zellwand aus, ist aber auch an der sogenannten hypersensitiven Reaktion beteiligt, bei der um die Infektionsstelle herum Pflanzenzellen absterben, damit der Pilz sich nicht weiter im Blatt ausbreiten kann (Abwehrnekrose). Oxidantien signalisieren auch, dass bestimmte Abwehrgene aktiviert werden müssen. Weitere wichtige Schlüssel-Stoffe bei induzierter Resistenz sind die Salicylsäure, Jasmonat und Ethylen. Salicylsäure wird zunächst lokal an der Infektionsstelle akkumuliert und dann vermutlich mit dem Phloemstrom transportiert; sie wirkt also systemisch. So kommt es, dass Abwehrreaktionen in der gesamten Pflanze beobachtet werden können und nicht nur begrenzt an der Infektionsstelle. Methyl-Jasmonat und Ethylen sind flüchtige Stoffe, die besonders bei Verwundung, (z. B. durch Insektenfraß), freigesetzt werden und sogar benachbarte Pflanzen warnen können. Unter dem Begriff Phytoalexine werden antimikrobielle, überwiegende meist niedermolekulare Substanzen zusammengefasst. Es handelt sich dabei z. B. um Terpenoide, Phenole, Alkaloide und

3 andere Stoffgruppen, die durchaus spezifisch für Pflanzenfamilien sind, da sie wie andere sekundäre Pflanzenstoffe auf speziellen Synthesewegen hergestellt werden. Diese Stoffe sind auch unter den konstitutiven Abwehrstoffen bekannt, z. B. in Vakuolen akkumuliert. Bei einer Abwehrreaktion werden sie allerdings de novo an der Infektionsstelle gebildet. Eine wichtige Rolle spielen auch PR-Proteine (pathogenesis-related proteins). Das sind Enzyme, die Schaderreger angreifen, z. B. Proteinasen, Chitinasen und ß-1,3-Glucanasen. Letztere sind Enzyme, die die spezifisch aufgebaute Zellwand pilzlicher Schaderreger verdauen. Die Resistenz der Pflanzen wird gelegentlich auch als Immunsystem der Pflanzen bezeichnet. Allerdings gelingt der Vergleich nur im Groben, da sich die Physiologie von Pflanzen und Tieren doch erheblich unterscheidet. Bestimmte Resistenzmechanismen können also durch Stoffe angestoßen werden. Die Auslöser dieser Abwehrkaskade werden auch Elicitoren genannt. Dies ist ein Sammelbegriff für chemisch definierte Substanzen, darunter auch Signalstoffe aus pathogenen Organismen, oder Stoffe, die der Pflanze selbst entstammen, wie z. B. Polysaccharide, die als Bausteine der Zellwand bei einem Angriff durch Pathogene freigesetzt werden. Da es sich um eine Kaskade von komplexen Reaktionen handelt, spielt auch der Zeitfaktor eine Rolle. Da liegt der Gedanke nicht fern, die Pflanze schon vor dem erwarteten Angriff so zu sensibilisieren oder konditionieren, dass sie einem Mehltau-Pilz mit allen Abwehrstoffen aus dem pflanzlichen Waffenarsenal begegnen kann. Diese Konditionierung (oder priming nach Conrath et. al 2001) soll mit Elicitoren erreicht werden. Tatsächlich sind Wirkstoffe von Pflanzenstärkungsmitteln häufig Elicitoren. Pflanzenstärkungsmittel in der Praxis Das Wissen um die Mechanismen der induzierten Resistenz hat teilweise sogar zur Entwicklung von Produkten geführt, mit denen Pflanzen auf den eigentlichen Angriff durch Schaderreger vorbereitet werden. Für den Anwender bedeutet das, dass Pflanzenstärkungsmittel (Resistenzinduzierer) vorbeugend angewendet werden müssen. Woran Pflanzenstärkungsmittel erkannt werden können Pflanzenstärkungsmittel tragen eine sechsstellige Listungsnummer, z. B Sie müssen in der Liste der Pflanzenstärkungsmittel des Bundesamtes für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) enthalten sein. Nachzulesen ist die amtliche Liste im Internetangebot des BVL unter: > Pflanzenschutzmittel > Pflanzenstärkungsmittel und Zusatzstoffe > Liste der Pflanzenstärkungsmittel (wird monatlich aktualisiert). Bevor ein Pflanzenstärkungsmittel in die Liste aufgenommen wird, begutachtet das BVL das Produkt in Zusammenarbeit mit dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR), dem Julius Kühn- Institut (JKI) und dem Umweltbundesamt (UBA). Die Behörden prüfen die beantragte Rezeptur darauf, ob es Anhaltspunkte für schädliche Auswirkungen auf Mensch, Tier und Umwelt gibt. Nur risikorarme Produkte dürfen gelistet werden. Wirksamkeit Die Wirksamkeit von Pflanzenschutzmitteln wird behördlicherseits nicht überprüft, allerdings bietet das Julius-Kühn Institut eine Datenbank an, in der Versuchsergebnisse mit Pflanzenstärkungsmitteln zusammengestellt sind:

4 Wirkungsweise Ausführlich wurde bereits die resistenzinduzierende Wirkung beschrieben. Es gibt aber noch die Pflanzenstärkungsmittel, die vor nicht-parasitären Beeinträchtigungen schützen sollen damit ist der Schutz vor abiotischen Einwirkungen gemeint, wie Trockenheit und Frost. Wundverschlussmittel verschließen größere Schnittflächen von Gehölzen; weiße Anstriche sorgen dafür, dass bei Frost und gleichzeitiger Sonneneinstrahlung die Borke kleiner Baumstämme nicht aufreißt. Zu guter Letzt gibt es die Pflanzenstärkungsmittel, die an abgeschnittenen Zierpflanzen zur Anwendung kommen (Blumenfrischhaltemittel). Floristen geben ihren Kunden häufig kleine Tütchen, damit die Blumensträuße zu Hause lange ansehnlich bleiben. Es gibt allerdings auch Mittel für die professionelle Anwendung, die ein Schnittblumenerzeuger benötigt, um die Blumen auf den Transport vorzubereiten. Informationsquelle > Pflanzenschutzmittel > Pflanzenstärkungsmittel und Zusatzstoffe Literatur Conrath, U., Thulke, O. Katz, V., Schwindling, S. und Kohler, A. (2001): Priming as a mechanism in induced systemic resistance of plants. Europ. J. Plant Pathology 107: Heß, D. (2004). Allgemeine Botanik. Ulmer 319 S.

5 Was sind Pflanzenstärkungsmittel und was können sie? Dr. Alexandra Makulla Was sind Pflanzenstärkungsmittel? Frage an die Behörden Was können Pflanzenstärkungsmittel? Frage an die Wissenschaft Nutzen für den Anwender Informationsquellen Rechtsbereiche Pflanzenschutzrecht Düngemittelrecht Zweckbestimmung Schutz der Pflanzen vor Schaderregern und Konkurrenten oder Düngewirkung, Bodenverbesserung, Fruchtqualität Definitionen Pflanzenstärkungsmittel Bodenhilfsstoff Pflanzenhilfsmittel

6 Nr. 10 PflSchG: Das Pflanzenschutzgesetz definiert Pflanzenstärkungsmittel Pflanzenstärkungsmittel sind Stoffe, die ausschließlich dazu bestimmt sind, die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen Schadorganismen zu erhöhen, z. B. Resistenzinduzierer, Pflanzen vor nichtparasitären Beeinträchtigungen zu schützen, z. B. Wundverschlussmittel, für die Anwendung an abgeschnittenen Zierpflanzen außer Anbaumaterial (Blumenfrischhaltemittel). 2 DüngG: Das Düngegesetz definiert Bodenhilfsstoffe und Pflanzenhilfsmittel Bodenhilfsstoffe: Stoffe ohne wesentlichen Nährstoffgehalt sowie Mikroorganismen, die dazu bestimmt sind, die biologischen, chemischen oder physikalischen Eigenschaften des Bodens zu beeinflussen, um die Wachstumsbedingungen für Nutzpflanzen zu verbessern, die symbiotische Bindung von Stickstoff zu fördern. 2 DüngG: Das Düngegesetz definiert Bodenhilfsstoffe und Pflanzenhilfsmittel Pflanzenhilfsmittel: Stoffe ohne wesentlichen Nährstoffgehalt, die dazu bestimmt sind, auf Pflanzen biologisch oder chemisch einzuwirken, um einen pflanzenbaulichen, produktionstechnischen oder anwendungstechnischen Nutzen zu erzielen, soweit sie nicht Pflanzenstärkungsmittel im Sinne des 2 Nr. 10 des Pflanzenschutzgesetzes sind

7 Pflanzenstärkungsmittel dürfen nicht direkt gegen Schaderreger wirken! Wissenschaftliche Grundlagen Resistenz Induzierte Resistenz Pflanzenstärkungsmittel in der Anwendung Die Pflanze wird von außen angeregt, eigene Abwehrmechanismen in Gang zu setzen (z. B. durch Pathogene oder Herbivore) CHESTER (1933) prägte diesen Begriff Interessant: 4 44eine Sensibilisierung ist möglich! (priming) Reaktionen der Wirtspflanze werden durch eine molekulare Interaktion ausgelöst, d. h. die Pflanze erkennt den Parasiten. Nach der Erkennung werden verschiedene Abwehrmechanismen in Gang gesetzt, wie rasch aufeinander folgende chemische und physikalische Verteidigungsmechanismen. Immunsystem der Pflanzen?

8 oxidative burst Eine rasche Reaktion, bei der starke Oxidantien freigesetzt werden (Superoxid, Wasserstoffperoxid) Direkte toxische Wirkung auf den Angreifer Initiierung der Zellwandverstärkung An der hypersensitiven Reaktion beteiligt Aktivierung von Abwehrgenen Salicylsäure Zunächst lokal an der Infektionsstelle akkumuliert und dann mit dem Phloemstrom transportiert Auch die exogene Applikation von Salicylsäure setzt die Mechanismen der Resistenz in Gang SAR - Salicylsäure-abhängige systemische Resistenz Methyl-Jasmonat und Ethylen Besonders bei Verwundung, z. B. durch Insektenfraß Benachbarte Pflanzen werden durch diese flüchtigen Stoffe informiert Salicylsäure-unabhängige induzierte Resistenz Phytoalexine Antimikrobielle, meist niedermolekulare Substanzen Spezifisch für Pflanzenfamilien, spezielle Synthesewege (sekundäre Pflanzenstoffe) Flavonoide, Terpenoide, Phenole, Alkaloide, Stilbenoide werden de novo gebildet und treten lokal auf im Gegensatz zu den konstitutiven Abwehrstoffen, die z. B. in Vakuolen akkumuliert werden

9 PR-Proteine = pathogenesis-related proteins Kleine Proteine mit Molekulargewichten um 15 bis 40 kd, säurestabil, wenig empfindlich gegenüber Proteinasen Proteinasen Chitinasen und ß-1,3-Glucanasen - lysieren Zellwände von pilzlichen Schaderregern.und weitere Enzyme, deren genaue Funktion noch unbekannt ist Was passiert bei einem Angriff? Pathogen E K + H + Cl - Ca ++ Ox oxidative burst R Pl Zellwand Abwehrreaktionen* Phosphatasen, Kinasen Ethylen Jasmonatsynthese Pflanzenzelle (Wirtszelle) * Phytoalexine Zellwandverstärkung PR-Proteine Genaktivierung Nukleus Komplexe Reaktionen, die im Bedarfsfall abgerufen werden Im Bedarfsfall wegen der Kosten! verteidigen oder wachsen Auslöser der Abwehrkaskade sind Elicitoren Chemisch definierte Substanzen Stammen meist von pathogenen Organismen Manchmal auch von der Pflanze selbst, z. B. Polysaccharide, die als Bausteine der Zellwand bei einem Angriff durch Pathogene freigesetzt werden.

10 Was bedeuten diese wissenschaftlichen Erkenntnisse für den Anwender? Wirkstoffe von Pflanzenstärkungsmitteln sind häufig Elicitoren Pflanzenstärkungsmittel (Resistenzinduzierer) müssen vorbeugend angewendet werden, um die Pflanze auf Abwehrrektionen einzustimmen! Pflanzenstärkungsmittel sind frei verkäuflich Pflanzenstärkungsmittel sind risikoarme Produkte Pflanzenstärkungsmittel werden vom BVL gelistet Prüfung der Zusammensetzung (Rezeptur) und Überprüfung auf Anhaltspunkte für schädliche Auswirkungen auf Mensch, Tier und Umwelt in Zusammenarbeit mit Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR), Julius Kühn-Institut (JKI) und Umweltbundesamt (UBA) Pflanzenstärkungsmittel sind an der Listungsnummer zu erkennen LS oder LS (Vertriebserweiterung) Einteilung der Pflanzenstärkungsmittel nach Gruppen 526 Mittel sind beim BVL gelistet (Stand: 1. September 2010) Chemische Reize/ Signalstoffe Silizium- und Kalzium-Verbindungen pflanzlicher Herkunft 46% Wirkungsweise Hömöopathika 13% Wachse 3% überwiegend anorganischer Herkunft 16% biotechnologisch hergestellte Proteine 1% Algenextrakte 8% tierischer Herkunft Mikroorganismen n = 346 5% Stand: August %

11 Einteilung der Pflanzenstärkungsmittel nach der Wirkungsweise A B C 526 Mittel (Stand: 1. September 2010) 159 Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Schaderreger Schutz vor nicht-parasitären Beeinträchtigungen Blumen- Frischhaltemittel Amtliche Liste: > Pflanzenschutzmittel > Pflanzenstärkungsmittel und Zusatzstoffe > Liste der Pflanzenstärkungsmittel (wird monatlich aktualisiert)

12 Versuchsergebnisse: (wird vierteljährlich aktualisiert)

13 BVL-Projekt, Projektnehmer: Julius-Kühn Institut Laufzeit: Entwicklung einer einfachen Methode Radieschen, Falscher Mehltau Anwendung des Präparates (Pflanzenstärkungsmittel) im Keimblattstadium 24 Std. / 48 Std. / 72 Std. nach der Anwendung des Präparates Infektion mit Falschem Mehltau Bonitur nach ca. 9 Tagen (50 % Sporulation bei Kontrolle) [ x 1000 Sporen ml -1 ] Gruppe 1 (24 h) Dichte der Sporenlösung Gruppe 2 (48 h) Gruppe 3 (72 h) Kontrolle Baba Präparat Quelle: Vortrag Dr. Peggy Marx et al., 57. Dt. Pflanzenschutztagung, Berlin 2010 Pflanzenstärkungsmittel (Resistenzinduzierer) müssen vorbeugend angewendet werden, um die Pflanze auf Abwehrrektionen einzustimmen!