Validation of the chlorophyll fluorescence imaging method (CFI) for early detection of herbicide resistance in weeds

Abstract

The increasing number of herbicide tolerant weed populations is illustrating the increasing demand for reliable methods for an accelerated detection of herbicide tolerance compared to greenhouse studies. Several methods for resistance quick detection have been published in previous years. One of the recent methods is the Chlorophyll Fluorescence Imaging Method (CFI). For this method changes in photosynthetic activity of the target organisms, caused by herbicides, are determined. General assumption of this method in terms of herbicide resistance detection is that each herbicidal compound, independent of the mode of action, will cause changes within the photosynthetic apparatus of the target organisms. This effect already could be confirmed for several modes of action (PSII, ALS, ACCase, EPSPS, synth. Auxins).

Aim of this study is to validate this novel method on the basis of greenhouse experiments and single nucleotide polymorphisms (SNP) analysis. The resistance profiles of 10 black-grass populations (Alopecurus myosuroides Huds.) have been determined in greenhouse herbicide efficacy trials and constitutive SNP analyses of the survivors.

With the CFI-method it was possible to detect the resistance profile as well as the resistance frequency within the populations. The results from the greenhouse experiments could be reproduced with conformity of 94%. This result is valid for the tested herbicides mesosulfuron, pyroxsulam as well as clodinafop and pinoxaden.

Keywords: ACCase, Alopecurus myosuroides Huds., ALS, blackgrass, herbicide resistance, resistance quick detection

Validierung der Chlorophyll Fluoreszenz Imaging-Methode (CFI) zur Früherkennung von Herbizidresistenz in Unkräutern

Zusammenfassung

Die ständig steigende Zahl herbizidresistenter Unkrautpopulationen verdeutlicht den wachsenden Bedarf an verlässlichen Methoden welche eine, im Vergleich zu Gewächshausversuchen, beschleunigte Detektion von Herbizidresistenz erlauben. Mehrere solcher Methoden wurden in den vergangenen Jahren publiziert. Eine der neuesten Methoden ist das Chlorophyll Fluoreszenz Imaging (CFI). Hierbei handelt es sich um die bildgebende Erfassung von Veränderungen der Fotosyntheseleistung der Zielorganismen, verursacht durch biotische oder abiotische Stressursachen. Die generelle Annahme dieser Methode in Bezug auf Herbizidresistenz ist, dass jeder herbizide Wirkstoff entweder primär oder sekundär eine Beeinträchtigung der Fotosyntheseleitung der behandelten Pflanzen bewirkt. Dieser Effekt konnte in der Vergangenheit bereits für eine große Anzahl herbizider Wirkmechanismen nachgewiesen werden (PSII, ALS, ACCase, EPSPS, synth. Auxine).

Die hier vorgestellten Versuche haben zum Ziel, diese neue Methode anhand von Gewächshausversuchen

sowie genetischen Untersuchungen zu validieren. Das Resistenzmuster von insgesamt 10 Acker-Fuchsschwanz-Populationen (Alopecurus myosuroides L.) wurden in Gewächshausversuchen im Voraus erfasst und darauf aufbauend molekularbiologisch auf bekannte genetische Mutationen an den Wirkorten untersucht.

Mit der CFI-Methode konnte bei allen getesteten Populationen der Resistenzstatus sowie die Frequenz innerhalb der getesteten Population detektiert werden. Im Vergleich zu Gewächshausversuchen sowie den molekularbiologischen Untersuchungen konnten die Ergebnisse zu 94 % reproduziert werden. Dieses Ergebnis ist gültig für die Wirkstoffe Mesosulfuron, Pyroxsulam, Pinoxaden und Clodinafop.

Stichwörter: ACCase, Acker-Fuchsschwanz, ALS, Herbizidresistenz, Resistenzschnelltest