Investigations on herbicide resistance in Apera spica-venti populations

Massa, Dario

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Massa, Dario

Investigations on herbicide resistance in Apera spica-venti populations

Untersuchungen zur Herbizidresistenz in Windhalm (Apera spica-venti L. Beauv.)

(Übersetzungstitel)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-6416
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2012/641/

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SWD-Schlagwörter:

Windhalm , Resistenz , Herbizid , SNP

Freie Schlagwörter (Englisch):

loose silky bent grass , herbicide resistance , target-site resistance , SNPs , ALS-inhibitors

Institut:

Institut für Phytomedizin

Fakultät:

Fakultät Agrarwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Landwirtschaft, Veterinärmedizin

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Gerhards, Roland Prof. Dr.

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

22.07.2011

Erstellungsjahr:

2011

Publikationsdatum:

07.02.2012

Lizenz:

Dieser Inhalt ist unter einer Creative Commons-Lizenz lizenziert.

Kurzfassung auf Englisch:

Weeds belong to the main biotic yield-limiting factors in agricultural fields worldwide. Since the introduction of herbicides in the global market more than six decades ago, agro-ecosystems have been characterized by a strong reliance on herbicides for weed management. However, the selection pressure exerted on weed populations by long-term application of herbicides with the same mode of action has imposed selection for resistance within several weed species.
Apera-spica-venti (L.) Beauv. represents one of the most abundant annual grass weeds in autumn-sown crops of Central and Eastern European arable lands. Since the first report on herbicide-resistant A. spica-venti populations in 1994, several cases have been documented. Therefore, it is assumed that this species is evolving resistance to herbicides.
The main objectives of the present work were:
1. The development of reliable testing procedures under greenhouse conditions for the verification of herbicide resistance in A. spica-venti populations;
2. The quantification of resistance in A. spica-venti at different herbicide doses using dose-response assays and digital image analysis;
3. The elucidation of resistance mechanisms in A. spica-venti populations at the molecular genetic level through laboratory experiments;
4. The evaluation of the influence of farm management factors on the occurrence and spread of herbicide resistance in A. spica-venti populations through the use of statistical modeling;
5. The development of a geo-referenced database for documenting the spatial and temporal distribution of herbicide-resistant A. spica-venti populations in Europe;
6. The verification of the results obtained from the greenhouse assays under realistic field conditions and the detection of the introgression of herbicide resistance traits into the sensitive population after two generations.
The main resistance testing procedure consisted of growing plants in the greenhouse from seeds collected in the suspect fields and spraying them with herbicides. Applications were carried out with an automated precision sprayer either at a single dose or at a range of doses. Herbicide efficacy was then assessed at 15 and 30 days after treatment by direct comparison with untreated controls. Results from the greenhouse assays showed that most of the screened popula¬tions (~70%) have evolved resistance to herbicides, particularly acetolactate synthase (ALS)-inhibitors.
Dose-response assays revealed resistance factors at the ED90 (ED90 resistant / ED90 sensitive) of up to 140 after treatment with flupyrsulfuron-methyl, thus indicating that A. spica-venti is a resistance-prone grass weed. A novel method for quantifying resistance based on the assessment of percent canopy cover using digital image analysis has been developed in the greenhouse to provide a potential alternative to the labour-intensive and time-consuming dry weight assessments.
Laboratory experiments conducted on over 70 ALS-resistant populations revealed that target site mutations were responsible for the observed resistance. Cleaved Amplified Polymorphic Sequences (CAPS) marker analysis and sequencing of the amplified 3? and 5? ends of the ALS gene by Rapid Amplification of cDNA Ends (RACE) revealed the presence of previously known as well as novel mutations endowing resis¬tance to ALS-inhibitors.
The development of a risk assessment model allowed the evaluation of the influence of farm management factors on the probability of resistance occurrence in A. spica-venti populations. Results showed that a high percentage of winter crops in the rotation (>75%), together with reduced or no-till practices, early sowing and high population density significantly increase the risk of resistance emergence. An internet-based geo-referenced database was developed to document the spatial and temporal distribution of herbicide-resistant A. spica-venti populations in Europe.
Finally, field experiments were carried out over the course of two years (2008/2010) by sow-ing ALS-resistant and susceptible A. spica-venti populations in winter wheat plots. Resistant plants survived herbicide application, completed their life cycle and set vital seeds, which showed a significantly higher germination rate compared to the sensitive population. However, maximum yield losses of only ~10% could be ob¬served at A. spica-venti panicle densities of >400 m-2. Greenhouse bioassays conducted at the end of the first year with plants from seeds collected in the sensitive plots showed an increase in tolerance to ALS-inhibitors of ~20%, thus suggesting introgression of herbicide resis¬tance traits into the sensitive population already after one year.
The outcomes of this work add knowledge to the understanding of the mechanisms underlying resistance to herbicides in A. spica-venti populations and provide weed scientists and consultants with useful tools for the reliable diagnosis and prevention of herbicide resistance in weed populations.

Kurzfassung auf Deutsch:

Unkräuter gehören zu den wichtigsten Schadorganismen und gelten als ertragslimitierender Faktor im Ackerbau. Seit dem massiven weltweiten Einsatz von Herbiziden zur effektiven und leistungsfähigen Unkrautbekämpfung wurden Agrarökosysteme zunehmend von chemischen Maßnahmen abhängig. Der Einsatz von Herbiziden mit demselben Wirkungsmechanismus führt zu einem hohen Selektionsdruck auf verschiedene Populationen und damit zu herbizidresistenten Unkrautarten.
Der gemeine Windhalm (Apera-spica-venti L. Beauv.) gehört zu den wichtigsten Ungräsern im europäischen Getreideanbau. Seit dem ersten Resistenzfall in Windhalmpopulationen (im Jahr 1994), beobachten Landwirte eine geringere Wirksamkeit von häufig verwendeten Herbiziden in Europa. Es wird deshalb angenommen, dass sich herbizidresistente Windhalmpopulationen etabliert haben.
Ziele dieser Arbeit waren:
1. Die Entwicklung geeigneter Testverfahren zum Nachweis der Herbizidresistenz unter Gewächshausbedingungen in Windhalmpopulationen;
2. Die Quantifizierung der Resistenz bei verschiedenen Herbizidkonzentrationen mit Hilfe von Dosis-Wirkungsversuchen und digitalen Bildanalysen;
3. Die Aufklärung der Resistenzmechanismen auf genetischer Ebene durch Laboruntersuchungen;
4. Die Evaluierung des Einflusses biologischer und Bewirtschaftungsfaktoren auf das Auftreten von Resistenzen in Windhalmpopulationen durch statistische Modellierung;
5. Die Entwicklung einer geo-referenzierten Datenbank zur Dokumentation der räumlichen Verteilung und der zeitlichen Verbreitung von herbizidresistenten Windhalmpopulationen in Europa;
6. Die Validierung der Ergebnisse aus den Gewächshausuntersuchungen unter Feldbedingungen und die Untersuchung zur Introgression von Resistenzmerkmalen in eine sensitive Population über zwei Generationen hinweg.
Bei dem Haupttestverfahren wurden Windhalmsamen von Resistenz verdächtigen Feldern gesammelt, die Pflanzen im Gewächshaus angezogen und im Anschluss mit Herbiziden gespritzt. Die Behandlung, bei der einzelne oder mehrere Konzentrationen appliziert wurden, erfolgte in einer automatisierten Spritzanlage. Die Wirksamkeit der Herbizide wurde durch den direkten Vergleich mit den unbehandelten Kontrollen 15 und 30 Tage nach der Behandlung evaluiert.
Die Ergebnisse der Gewächshausversuche bestätigten eine Resistenz gegenüber ALS-Inhibitoren in ~70% der getesteten Populationen. Dosis-Wirkungsversuche zeigten Resistenzfaktoren auf Basis der ED90 (ED90 resistent / ED90 sensitiv)-Werte von bis zu 140 nach der Behandlung mit flupyrsulfuron-methyl, was auf eine Tendenz für eine Resistenzentwicklung gegenüber diesen Herbiziden hinweist. Ein neues Verfahren, welches auf der Bestimmung des Deckungsgrades mit Hilfe der Digital Image Analysis zur Quantifizierung der Resistenz basiert, wurde als Alternative zu der zeit- und arbeitsaufwändigen Trockengewichtbestimmung entwickelt.
Laboruntersuchungen von über 70 ALS-resistenten Windhalmpopulationen ergaben, dass wirkortspezifische Mutationen für die beobachteten Resistenzen verantwortlich sind. Cleaved Amplified Polymorphic Sequences (CAPS)-Markeranalysen und Sequenzierung der amplifizierten 3´ und 5´ Enden des ALS-Gens durch Rapid Amplification of cDNA Ends (RACE) bestätigten das Vorhandensein von bekannten sowie bisher noch nicht dokumentierten zur Resistenz führenden Mutationen.
Mit Hilfe der Entwicklung eines Risk Assessment Models konnten wir die biologischen und Bewirtschaftungsfaktoren, die zu einem Auftreten des Resistenzproblems in Windhalm führen, evaluieren. Die Resultate ergaben, dass ein hoher Prozentsatz von Winterungen in der Rotation (>75%), zusammen mit reduzierter Bodenbearbeitung, Frühsaatterminen und hohe Populationsdichten das Auftreten von Resistenzen signifikant verstärken. Zur Dokumentation der räumlichen und zeitlichen Verbreitung der ALS-Resistenz von Windhalmpopulationen in Europa wurde eine internet-basierte georeferenzierte Datenbank entwickelt.
Schlussendlich wurden Feldversuche mit ALS-resistenten und sensitiven Windhalmpopulationen über einen Zeitraum von zwei Jahren (2008/2010) in Winterweizen-Parzellen durchgeführt. Resistente Pflanzen überlebten die Herbizidbehandlung, vollendeten ihren Lebenszyklus und produzierten lebensfähige Samen, die eine signifikant höhere Keimrate zeigten im Vergleich zu sensitiven Pflanzen. Es wurde jedoch nur ein maximaler Ertragsverlust von 10% bei einer Windhalmdichte von >400 m-2 beobachtet. Gewächshausversuche mit Samen von sensitiven Pflanzen die am Ende des ersten Jahres gesammelt wurden, zeigten eine Zunahme der Toleranz zu ALS-Inhibitoren von ~20%. Dies weist auf eine Introgression von Resistenzmerkmalen in die sensitive Population nach schon einem Jahr.
Die Ergebnisse dieser Arbeit führen zu einem besseren Verständnis über die zugrundeliegenden Resistenzmechanismen gegenüber Herbiziden in Windhalmpopulationen und bieten Herbologen sowie Beratern verschiedene Möglichkeiten für die Detektion und Vorbeugung der Herbizidresistenz in Unkrautpopulationen.