Wissenschaftlern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Georg-August-Universität Göttingen ist der Nachweis gelungen, dass eine der Klauenkrankheiten von Kühen wesentlich genetisch bedingt ist. Die Interdigitale Hyperplasie wird bisher meist rein auf die Hygienebedingungen im Stall zurückgeführt. Das Team um Prof. Dr. Hermann Swalve stieß jedoch auf einen Betrieb, in dem die Krankheit gehäuft vorkam und identifizierte ein verantwortliches Gen. Mit gezielter Züchtung könnte die Krankheit nun eingedämmt werden.

„Das passt alles zusammen, so einen Fall haben wir ganz selten“, sagt Hermann Swalve, Professor für Tierzucht am Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der MLU. Um ein einziges Gen zu identifizieren, das eine Krankheit zu großen Teilen verantwortet, müssen viele Faktoren passen. Swalves Team gelang die Entdeckung, die jetzt in der Fachzeitschrift „Frontiers in Genetics“ veröffentlicht wurde, weil seine Arbeitsgruppe seit Jahren mit großen Datenbeständen von Kühen in Deutschland arbeitet. Dabei fiel ein Betrieb auf, in dem die Interdigitale Hyperplasie, auch Limax oder Tylom genannt, gehäuft auftrat. Unter der Krankheit leiden drei bis acht Prozent aller Kühe in Deutschland im Laufe ihres Lebens, meist jedoch in höherem Alter. Zwischen den beiden Zehen der Klaue von Rindern wächst dabei eine weitere, „verkümmerte“ Zehe heran, welche die eigentlichen Zehen auseinanderspreizt. „Es kommt zu Hautrissen, die wiederum Eintrittspforten für Bakterien und damit für weitere Erkrankungen bilden“, so Swalve. Die Tiere lahmen, die Lebensdauer wird verkürzt.

„Wir haben vorher schon Studien zur Genetik der Krankheit gemacht, hatten aber zu wenige betroffene Tiere, so dass eine statistische Absicherung schwierig war“, sagt Swalve. Für sie sei es also gewissermaßen ein Glücksfall gewesen, dass in einem Betrieb im Nordwesten Deutschlands fast 60 Prozent der Tiere darunter litten. Mit einer sogenannten Genomweiten Assoziierungsstudie wurden insgesamt 45.000 kleine DNA-Abschnitte, sogenannte SNPs, von gesunden und kranken Kühen verglichen. Dabei fielen zunächst zwei Stellen auf, die mit der Krankheit zusammenhängen könnten. Eine davon war das Gen für den Tyrosin-Kinase-Receptor 2 (ROR2). „Wir haben unsere Ergebnisse dann mit Studien aus der Humanmedizin verglichen und festgestellt, dass dieses Gen auch beim Menschen eine Rolle bei der Entstehung von Gliedmaßen spielt“, so Swalve. Den Beweis, dass das ROR2-Gen auch tatsächlich etwas mit der Entstehung der Erkrankung zu tun hat, lieferte im Anschluss das Team um Prof. Dr. Bertram Brenig von der Universität Göttingen. In seiner Arbeitsgruppe wurde der komplette Genabschnitt vergleichend sequenziert und festgestellt, dass eine Mutation bei den erkrankten Kühen zum Austausch einer Aminosäure führt. In weiteren Experimenten konnte Brenig außerdem nachweisen, dass der Fehler tatsächlich zu einer veränderten Proteinkonzentration führt. „Erst nachdem wir zeigen konnten, dass die Mutation die Genexpression beeinflusst, ließ sich der Zusammenhang mit der Erkrankung schlüssig erklären“, so Brenig.

Für Swalve ist es überraschend, dass der genetische Hintergrund der Erkrankung so lange außer Acht gelassen wurde – obwohl bereits 1952 der damals international anerkannte Veterinärmediziner Richard Götze aus Hannover einen fast ausschließlich genetischen Hintergrund für die Interdigitale Hyperplasie vermutete. In die Züchtung habe dies keinen Eingang gefunden. Erst mit der nun vorliegenden Studie werde die Vermutung Götzes bestätigt. Durch gezielte Züchtung könnte die Krankheit nun eingedämmt werden.

Quelle: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Kühe können sich an Nahrung mit unterschiedlichem Kochsalzgehalt anpassen. Wie sie das machen, war bislang ein Geheimnis. Jetzt haben Forscher der Goethe-Universität im Mikrobiom des Pansens ein Bakterium entdeckt, das den Salzgehalt mit einem neuen Typ von Zellatmung reguliert.

Die Kuh kann Gras nur mithilfe von Milliarden Mikroorganismen in ihrem Pansen verwerten. Ein ganzer Zoo von Bakterien, Archaeen und Protozoen arbeitet dort wie am Fließband: Zuerst spalten diese Einzeller die Cellulose, einen Vielfachzucker, auf. Andere Bakterien vergären die freigesetzten Zucker zu Fettsäuren, Alkoholen und Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid. Schließlich verwandeln methanogene Archaeen diese beiden Gase zu Methan.

Eine durchschnittliche Kuh produziert etwa 110 Liter Methan pro Tag. Durch das Wiederkäuen entweicht es aus dem Maul, wird aber auch wieder mit Nahrungsbrei und vermischt. Dadurch kann der Kochsalzgehalt des Grasbreis stark schwanken (zwischen 60 – 800 milli-Mol Natriumchlorid (NaCl) pro Liter).

Wie sich die Bakterien des Pansens an diese stark schwankenden Kochsalzkonzentrationen anpassen, hat eine deutsch-amerikanische Forschergruppe jetzt herausgefunden: „Bioinformatische Analysen der Genome von Pansenbakterien führten unseren amerikanischen Kollegen Tim Hackmann zu der Vermutung, dass einige Pansenbakterien zwei unterschiedliche Atmungsketten haben. Eine davon funktioniert mit Natriumionen, die andere ohne“, erklärt Prof. Volker Müller von der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik an der Goethe-Universität. Müller schlug seiner Doktorandin Marie Schölmerich deshalb vor, einen typischen Vertreter im Mikrobiom von Wiederkäuen zu untersuchen: das Bakterium Pseudobutyrivibrio ruminis.

Marie Schölmerich hat zusammen mit der Bachelorstudentin Judith Dönig und dem Masterstudenten Alexander Katsyv das Bakterium kultiviert. Tatsächlich konnten sie beide Atmungsketten nachweisen. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) berichten, wird während der Zuckeroxidation der Elektronenüberträger Ferredoxin (Fd) reduziert. Reduziertes Ferredoxin treibt beide Atmungsketten an.

Die eine Atmungskette besteht aus dem Enzymkomplex Fd:NAD-Oxidoreduktase (Rnf- Komplex). Er transportiert Natriumionen unter Aufwendung von Energie aus der Zelle. Bei ihrem Wiedereintritt treiben die Natriumionen eine ATP-Synthase an, so dass ATP entsteht. Diese Atmungskette arbeitet nur in Gegenwart von Natrium-Ionen.

Fehlen Natrium-Ionen, bildet das Bakterium eine alternative Atmungskette mit einem anderen Enzymkomplex: Die Hydrogenase Fd:H+-Oxidoreduktase produziert Wasserstoff und pumpt Protonen aus der Zelle. Treten diese über eine zweite ATP-Synthase, die Protonen, aber keine Natriumionen akzeptiert, wieder in die Zelle ein, entsteht ebenfalls ATP.

„Bis heute ist dies das erste Bakterium, bei dem diese beiden einfachen, komplett unterschiedlichen Atmungsketten nachgewiesen wurden. Unsere bioinformatischen Analysen legen aber nahe, dass sie auch bei anderen Bakterien zu finden sind“, erklärt Marie Schölmerich. „Diese Anpassungsstrategie scheint also weiter verbreitet zu sein“, lautet ihre Vermutung.

Interessanterweise wurden die beiden Enzymkomplexe (Rnf-und Ech-Komplex) auch in evolutionsbiologisch alten Bakterien gefunden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Müller hat sie eingehend untersucht, aber immer nur einen der beiden Enzymkomplexe gefunden, nie beide zusammen. „Jetzt werden wir mit Methoden der synthetischen Mikrobiologie Hybride von Bakterien herstellen, die beide Komplexe enthalten, um diese für biotechnologische Prozesse zu optimieren. Dadurch kann man den zellulären ATP-Gehalt erhöhen. Dann lassen sich wertvollere Produkte herstellen“, erklärt Prof. Müller. Geplant ist, die Atmungsketten einzusetzen, um durch die Fermentation von Synthesegasen Wertstoffe zu gewinnen. Dies ist Gegenstand der Untersuchungen in einem BMBF-geförderten Projekt.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main

Von Dr. Hans-Jürgen Kunz, Christian-Albrechts-Universität Kiel

Kälber leiden häufig an Atemwegserkrankungen. Auslöser sind Viren und Bakterien. Zu letzteren zählen auch die Mykoplasmen. Welche Rolle spielen sie im Bestand und wie kann ihnen vorgebeugt werden?

Die Liste der möglichen Erreger von Atemwegsinfektionen ist sehr lang. Die alte Lehrmeinung besagt, dass in der Regel virale Erreger Wegbereiter für bakterielle Sekundärinfektionen sind (Übersicht 1 und 2). Antibiotisch lassen sich nur bakterielle Erreger behandeln. Um viral bedingte Infektionen vorzubeugen, müsste geimpft werden. Diese Möglichkeit gibt es auch, um Infektionen mit Mannheimia haemolytica vorzubeugen. Das alles ist aber leichter gesagt als getan, denn es sollen nur gesunde Tiere geimpft werden, und wer kann dafür garantieren? Darum haben sich lokale Impfungen, wie die intranasale BRSV/PI3-Impfung, bewährt, die aber keinen Langzeitschutz versprechen. In diesem Fall müsste mindestens ein zweites Mal systemisch nachgeimpft werden.

Diagnosen häufig schwierig
Bei Durchfallerregern liefert in vielen Fällen bereits ein immunochromatographischer Schnelltest ein durchaus brauchbares Ergebnis, und das innerhalb von fünf bis zehn Minuten. Für den Nachweis von Atemwegserregern gibt es solche Diagnosemöglichkeiten nicht. Untersuchungen von Nasentupferproben sind häufig nicht aussagekräftig genug, da sich in den oberen Atemwegen möglicherweise Erreger tummeln, die nicht zwangsläufig auch für eine zu diagnostizierende Infektion in der Lunge verantwortlich sind. Hierfür eignen sich Lungenspülproben besser, die heute auch endoskopisch entnommen werden. Eingeschränkt wird die Aussagekraft solcher Proben aufgrund der starken Segmentierung der Rinderlunge. Sie besteht aus 71 Segmenten, die durch Bindegewebe voneinander getrennt sind, jeweils nur einen zuführenden Bronchus besitzen und keine Verbindung untereinander haben. Deshalb kann es durchaus vorkommen, dass die Lungenspülprobe aus einem nicht von der Infektion betroffenen Segment genommen wird und Erreger, die sich in andere Segmente eingenistet haben, nicht diagnostiziert werden. Das heißt, wenn die Spülprobe zu keinem positivem Ergebnis geführt hat, heißt das nicht, dass bei dem untersuchten Kalb keine erregerbedingte Infektion vorliegt.

Welche Rolle spielen Mykoplasmen?
Die Rolle der Mykoplasmen ist in vielerlei Hinsicht eine sehr besondere. Es sind Bakterien die anstelle einer Zellwand nur eine Zellmembran besitzen. Sie sind mit 0,3 bis 0,8 µm etwa 14 Mal kleiner als E-Coli-Bakterien und damit so klein, dass man sie noch am Ende des 19. Jahrhunderts den Viren (0,02 bis 0,2 µm) zugeordnet hat, später einer Zwischenform. Mykoplasmen besitzen jedoch alle Eigenschaften von Bakterien, können sich selbst vermehren und werden darum heute zu den Bakterien gezählt. Da sie, wie zuvor beschrieben, nur schwer nachzuweisen sind, wird ihre Bedeutung bei der Entstehung von Atemwegserkrankungen eventuell unterschätzt.

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Eine Forschungsgruppe um Dr. Daniel Weary, Dr. Marina von Keyserlingk und der Erstautorin Dr. Caroline Ritter (University of British Columbia) hat fast 1.000 US-Amerikaner nach ihrer Einstellung zu bestimmten gentechnischen Eingriffen beim Milchvieh befragt. Die Studie sollte Aufschluss geben, ob bestimmte Gründe für spezifische Eingriffe akzeptabler sind als andere.

Generell ist die Einstellung der Amerikaner zu gentechnischen Veränderungen bei Pflanzen weniger kritisch als in Europa, der Anwendung entsprechender Techniken beim Tier stehen sie jedoch reservierter gegenüber. Etliche Pflanzen denen mittels Gentechnik Krankheits- und Herbizid-Resistenzen verliehen wurden, sind in den USA bereits auf dem Markt, jedoch ist bisher nur ein einziger gentechnisch veränderter Lachs (AquAdvantage Salmon) von den US-Behörden als sicher eingestuft, und könnte ab 2020 dort auf den Markt kommen.

Mithilfe von genetischen Modifikationen konnten Wissenschaftler jedoch vor Kurzem hornlose Rinder erzeugen und Kühen Resistenzen gegen bestimmte Krankheiten verleihen (Mastitis und Rindertuberkulose).

Zunächst sollten die Probanden für die Studie fünf allgemeine Wissensfragen zur Gentechnik beantworten, was ihnen im Durchschnitt auch recht gut gelang (3,9 von 5 richtige Antworten):

• Gentechnisch veränderte Kühe enthalten Gene, normale Kühe nicht (richtige Antwort: falsch)
• Gentechnisch veränderte Tiere sind immer größer als gewöhnliche Tiere (falsch)
• Mit Genen eines Welses modifizierte Kühe würden wahrscheinlich fischig schmecken (falsch)
• Durch den Verzehr eines gentechnisch veränderten Produkts können auch die Gene eines Menschen verändert werden (falsch)
• Es ist möglich Pflanzengene auf Tiere zu übertragen (richtig)

Anschließend wurden sie zu jeder Frage gefragt: Wie sicher sind Sie sich Ihrer Antwort? (1 = überhaupt nicht sicher, 5 = sehr sicher) und haben sich hier durchschnittlich mit 3,5 von 6 Punkten eingestuft.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Modifikationen, die in erster Linie einen wirtschaftlichen Vorteil haben (z. B. höhere Wachstumsraten) negativer wahrgenommen werden als solche, die allgemeinere gesellschaftliche Vorteile wie verbesserte Ernährung und geringeren Einsatz von Chemikalien aufweisen oder die Notwendigkeit schmerzhafter Verfahren bei Tier vermindern. Dem konnte die neueste Studie von Ritter et al. neue Erkenntnisse hinzufügen.

Hier wurden zufällig zusammengewürfelte Gruppen gebeten, verschiedene Begründungen für gentechnische Eingriffe bei Rindern zu bewerten. Eine Gruppe wurde hier zu „Hornlosigkeit“, die zweite zu „Krankheitsresistenz“ befragt. Ihnen wurden jeweils fünf verschiedene Zwecke für den gentechnischen Eingriff genannt: Verbesserung des Tierschutzes, Senkung der Kosten für den Landwirt, Erhöhung der Arbeitssicherheit, alle vorherigen Zwecke zusammen oder kein Zweck. (Tabelle 1).

Teilnehmer, die der Gruppe „Krankheitsresistenzen“ zugeordnet waren, zeigten eine positivere Einstellung als Teilnehmer der Gruppe „Hornlosigkeit“ (4,5 vs. 3,7 auf einer Skala von 1 bis 7). In der Gruppe „Krankheitsresistenz“ war die Einstellung gegenüber GVO am geringsten, wenn als Zweck angegeben war, Kosten zu senken und am höchsten das Wohlergehen der Tiere genannt wurde.

In der Gruppe „Hornlosigkeit“ war die Zustimmung am höchsten, wenn als Zweck Tierwohl genannt war oder wenn alle drei Zwecke erfüllt wurden. Wurden alle Begründungen zusammen genannt, war die Zustimmung höher als zum Zweck der Kostenreduzierung oder wenn gar kein Zweck angegeben wurde.

Zu den einzelnen Zwecken wurde nach assoziativen Begriffen gefragt und diese schließlich in einer Wortwolke dargestellt (s. o.). Den Teilnehmer wurde einer von zwei Anwendungen (Krankheitsresistente oder Hornlosigkeit) und einer von fünf verschiedenen Zwecken genannt (Verbesserung des Tierschutzes, Senkung der Kosten für den Landwirt, Erhöhung der Arbeitssicherheit, alle Zwecke oder kein Zweck). Die Wortwolke enthält Wörter, die aussagekräftigen Inhalt lieferten und mindestens viermal erwähnt wurden. Größere Wörter stehen dort für häufigere Antworten.

Die kanadischen Forscherinnen und Forscher heben hervor, dass es scheine, die Teilnehmer der Gruppe „Krankheitsresistenzen“ seien in der Lage gewesen, sich die Vorteile der Krankheitsresistenz vorzustellen, selbst wenn kein Zweck angegeben wurde. Aber nur wenige wussten, wie man enthornt oder erkannten die potenziellen Probleme, die damit verbunden sind.

Die Studie liefert nicht nur wertvolle Hilfen für die Verbraucher-Kommunikation von Nutztierhaltern, sondern „legt auch nahe, dass Gentechnik eher akzeptiert wird, wenn sie dem Gemeinwohl dient“, schlussfolgern die Autorinnen.

Ritter C, Shriver A, McConnachie E, Robbins J, von Keyserlingk MAG, Weary DM (2019) Public attitudes toward genetic modification in dairy cattle. PLoS ONE 14(12): e0225372.

Link zur Studie