Herbicide Resistance

Abstract

Herbicides are an important tool for agricultural production to control weeds, avoid soil erosion, and maintain high yields. Highly competitive weeds like <i>Amaranthus</i> ssp. and <i>Sorghum halepense</i> have to be controlled in key crops like corn, cotton and soybean. During the past 30 years glyphosate has proven to be the most cost effective and environmentally benign herbicide controlling weeds without significant resistance development. Since the introduction of glyphosate tolerant crop varieties the development of glyphosate resistance has increased dramatically and is today in the Southeast U.S. the most important threat to cropping systems. In order to maintain a sustainable agricultural production, weed resistance mechanisms and their spread in weed populations have to be better characterized and understood. <br /> The response of several <b><i>Amaranthus palmeri</i></b> and <b><i>Amaranthus tuberculatus</i></b> populations, to the herbicide glyphosate was studied and for most of them resistance was detected or confirmed. Neither a reduction of glyphosate uptake or translocation, nor a mutation in glyphosate target enzyme EPSPS at the amino acid position G101, T101 or P106 was detected in glyphosate resistant plants. The analysis of <i>EPSPS</i> gene copy number revealed that almost all glyphosate resistant populations possessed variable but high EPSPS gene copy number, correlated with its expression both at the RNA and protein levels and with the resistance level observed in the greenhouse. In resistant <i>A. tuberculatus</i> the <i>EPSPS</i> gene amplification and the expressed resistance factors found were lower than in <i>A. palmeri</i>. Nevertheless, one might conclude that the <i>EPSPS</i> gene amplification is the main glyphosate resistance mechanism in <i>A. tuberculatus</i> populations analyzed. In <i>A. palmeri EPSPS</i> gene amplification is the most common and most important resistance mechanism found so far as shown by its widespread geographical occurrence, but it is not the only resistance mechanism developed by this weed species. RAPD analysis of several glyphosate sensitive and resistant <i>A. palmeri</i> populations reveals a stronger relationship based on glyphosate response than based on geographical separation. This suggests that glyphosate resistant individuals have a common ancestor plant or population. These data are discussed related to plant migration, in particular plant seed dispersal, which seems often to be underestimated. These findings stress the importance of farm and field hygiene for weed management to prevent field infection with nearly uncontrollable weeds and lastly to protect efficient crop production. <br /> A <b><i>Sorghum halepense</i></b> (Johnsongrass) population collected in AR, U.S.A. was found resistant to glyphosate and to APP ACCase inhibitors. The resistances were confirmed in greenhouse experiments. The resistance of mature plants to glyphosate was moderate, with a resistance factor of 3.6. The <i>EPSPS</i> gene sequence was analyzed for the known mutation sites G101, T102 and P106, but no changes were detected. A heterozygous target site mutation, W2027C, on the <i>ACCase</i> gene sequence was found to cause the resistance to the ACCase inhibitors fluazifop-p-butyl and decreases the sensitivity to quizalofop and clethodim. In this tetraploid species, plants possessing 2 mutated <i>ACCase</i> alleles, out of a total of 4, were shown to be less affected by APP ACCase inhibitor treatments than individuals possessing a single mutated <i>ACCase</i> allele. To our knowledge, this is the first <i>S. halepense</i> population with a reported multiple herbicide resistance showing a specific target site mutation conferring resistance to ACCase herbicides. Moreover it is one of the rare evidence showing that the herbicide resistance observed is directly correlated to the number of mutated alleles.

<strong>Herbizid Resistenz : Molekularbiologische und Physiologische Charakterisierung der glyphosat-resistenten Unkrautarten <i>Amaranthus</i> ssp. und <i>Sorghum</i> ssp.</strong> <br /> Herbizide sind ein wichtiges Hilfe in der landwirtschaftlichen Produktion um Unkräuter zu kontrollieren, Bodenerosion zu vermindern und hohe Erträge zu sichern. Gerade in wirtschaftlich wichtigen Kulturen wie Mais, Baumwolle und Sojabohne müssen konkurrenzstarke Unkräuter wie <i>Amaranthus</i> ssp. und <i>Sorghum halepense</i> wirkungsvoll bekämpft werden. Seit der Einführung von glyphosattoleranten Kulturpflanzen und des großräumigen Einsatzes des Herbizids Glyphosat, hat die Zahl glyphosatresistenten Unkräuter rapide zugenommen und ist inzwischen zu einem der größten Probleme in weiten Teilen U.S. Landwirtschaft geworden. Das bessere Verständnis der Resistenz-mechanismen und Verbreitung von resistenten Unkräutern ist daher notwendig um die landwirtschaftliche Produktion in diesen Regionen langfristig zu sichern. <br /> Verschiedene <b><i>Amaranthus palmeri</i></b> und <b><i>Amaranthus tuberculatus</i></b> Populationen aus den U.S.A. wurden auf Glyphosatresistenz untersucht die in den meisten Populationen bestätigt oder erstmalig nachgewiesen werden konnte. Unterschiede in der pflanzlichen Glyphosat-aufnahme oder -verlagerung sowie <i>EPSPS</i> Target-Site-Mutationen (TSM) konnten als Grund für die Resistenz nicht nachgewiesen werden. In nahezu allen glyphosatresistenten Pflanzen wurde eine höhere und mit dem Resistenzgrad korrelierte <i>EPSPS</i> Genkopienanzahl im Genom gefunden. In zwei <i>A. palmeri</i> und drei <i>A. tuberculatus</i> Populationen korrelierte dies mit dem EPSPS-Gehalt in Transcriptom und Proteom. Im Vergleich zwischen den Arten waren die Resistenzfaktoren sowie die <i>EPSPS</i> Genamplifikation in <i>A. tuberculatus</i> niedriger als in <i>A. palmeri</i>, dennoch ist anzunehmen, dass in beiden Arten die Glyphosatresistenz auf <i>EPSPS</i> Genamplifikation beruht. Weitere Resistenzmechanismen schließt dies aber nicht aus wie eine schwach resistente Population ohne <i>EPSPS</i> Genamplifikation zeigt. RAPD Verwandschaftsanalysen belegen eine hohe genetische Variabilität innerhalb der Populationen und eine Abhängigkeit der Verwandtschaft von der Glyphosatresistenz. Die glyphosatresistenten <i>A. palmeri</i> Populationen scheinen sich aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt zu haben. Diese Ergebnisse zeigen, dass auch im Ackerbau die Verbreitung von Unkrautvermehrungsgut vermieden werden muss, um einer Besiedlung durch nicht mehr kontrollierbare und herbizidresistente Unkräuter vorzubeugen und damit eine effiziente landwirtschaftliche Produktion für die Zukunft zu sichern. <br /> Eine <b><i>Sorghum halepense</i></b> Population aus AR, U.S.A. wurde als Glyphosat und APP ACCase Inhibitor resistent beschrieben, welches wir unter Gewächshausbedingungen bestätigen konnten. Für Glyphosat wurde so ein Resistenzfaktor von 3,6 ermittelt. In der <i>EPSPS</i> Gensequenz wurden die resistenzauslösenden Mutationsstellen G101, T102 und P106 sequenziert und Glyphosatresistenz durch TSM ausgeschlossen. In der <i>ACCase</i> Gensequenz wurde eine TSM in W2027C gefunden, die die Resistenz gegenüber dem ACCase Inhibitor Fluazifop-p-butyl und die verringerte Wirksamkeit von Quizalofop und Clethodim erklärt. Im Vergleich war die APP ACCase Resistenz der tetraploiden Pflanzen bei 2 mutierten <i>ACCase</i> Allelen stärker als bei Pflanzen mit einem oder ohne W2027 mutiertem <i>ACCase</i> Allel im Genom. Nach unserem Wissenstand ist dies die erste multiple Herbizid resistente <i>S. halepense</i> Population und die erste in der eine bestimmte TSM für die Resistenz gegenüber ACCase Inhibitoren verantwortlich ist. Zudem ist dies eines der wenigen Beispiele für den Zusammenhang zwischen der Anzahl der mutierten <i>ACCase</i> Allele und den daraus resultierenden Unterschieden in der Herbizidresistenz <i>in planta</i>.