Is hormesis an underestimated factor in the development of herbicide resistance?

Autor/innen

  • Regina G. Belz

DOI:

https://doi.org/10.5073/jka.2014.443.009

Abstract

The growing impact of herbicide resistant weeds increasingly affects weed management and the delay of resistance evolution has become a major task of chemical weed control. Hormesis and, thus, the phenomenon that low doses of herbicides can boost weed growth could be of importance in this regard since the recommended field rate may represent a low dose for weeds that have evolved resistance to the applied herbicide and, thus, a potential hormetic dose. Applying the field rate may thus not only directly select resistant biotypes, it may also indirectly promote the success and spread of resistant biotypes via hormesis. Nevertheless, hormetic effects in resistant weeds are hitherto merely randomly observed and, thus, a clear quantitative basis to judge the significance of hormesis for resistance evolution is lacking. Therefore, this study aimed at quantifying the degree and frequency of herbicide hormesis in sensitive and resistant weed species in order to provide a first indication of whether the phenomenon deserves consideration as a potential factor contributing to the development of herbicide resistance. In germination assays complete dose-response experiments were conducted with sensitive and resistant biotypes of Matricaria inodora (ALS-target-site resistant; treated with iodosulfuron-methyl-sodium/mesosulfuron-methyl), Eleusine indica (glyphosate­resistant; treated with glyphosate), and Chenopodium album (triazine/triazinone-target-site resistant; treated with terbuthylazine). After 10 days of cultivation under controlled conditions plant growth was analyzed by measuring shoot/root length and mass. Results indicated that herbicide hormesis occurred on average with a total frequency of 29% in sensitive/resistant biotypes with an average growth increase of 53% occurring typically within a dose zone exceeding 350fold. Hormetic effects occurred, however, very variable and only for specific endpoints and not plant growth in general. If such a variable stimulation of specific traits will translate to resistance relevant growth promotion under more practical conditions is uncertain. None-the-less, for a full understanding of the development of herbicide resistance, hormetic effects should be considered as a potential factor in resistance evolution.

Keywords: Biphasic, growth stimulation, herbicides, target-site resistance

Ist Hormesis ein unterschätzter Faktor bei der Entwicklung von Herbizidresistenz?

Zusammenfassung

Der wachsende Einfluss der Herbizidresistenz in Unkräutern erschwert zunehmend das Unkrautmanagement und das Hinauszögern der Resistenzentwicklung ist zu einem wichtigen Aspekt der chemischen Unkrautkontrolle geworden. Hormesis und damit das Phänomen, dass niedrige Dosierungen von Herbiziden das Unkrautwachstum fördern können, könnte in diesem Zusammenhang von Bedeutung sein, da die empfohlene Aufwandmenge für resistente Unkräuter eine niedrige Dosis und somit eine hormetische Dosis darstellen kann. Eine Applikation der empfohlenen Aufwandmenge könnte somit nicht nur direkt resistente Biotypen selektieren, sondern die Ausbreitung von resistenten Biotypen durch Hormesis indirekt fördern. Bisher wurden hormetische Effekte bei resistenten Unkräutern allerdings nur zufällig beobachtet, sodass die Datenbasis nicht ausreicht, um die Relevanz hormetischer Effekte für die Resistenzentwicklung abzuschätzen. Ziel dieser Studie war es deshalb, das Ausmaß und das Auftreten von Hormesis in sensitiven und resistenten Unkautbiotypen zu untersuchen, um einen Hinweis darauf zu erhalten, ob Hormesis als potentieller Mechanismus zur Resistenzentwicklung beitragen könnte. In Keimtests wurden deshalb Dosis-Wirkungsversuche durchgeführt mit sensitiven und resistenten Biotypen von Matricaria inodora (ALS-Target-Site Resistenz; Behandlung mit Iodosulfuron-methyl-Natrium/Mesosulfuron-methyl), Eleusine indica (Glyphosat­resistent; Behandlung mit Glyphosat) und Chenopodium album (Triazin/Triazinon-Target-Site Resistenz; Behandlung mit Terbuthylazin). Nach 10 Tagen Versuchsdauer wurden die Länge und das Gewicht von Spross und Wurzel als Wirkungsparameter erhoben. Die Ergebnisse zeigten, dass hormetische Effekte sowohl beim sensitiven, als auch beim resistenten Biotyp im Durchschnitt mit einer Frequenz von 29% auftrat bei einer durchschnittlichen Wachstumsstimulierung von 53% und einem hormetischen Dosisbereich von durch­schnittlich über 350fach. Hormetische Effekte zeigten jedoch eine hohe Variabilität und waren nur jeweils für spezifische Wirkungsparameter zu beobachten und nicht das Pflanzenwachstum im Allgemeinen. Ob die beobachtete variable und spezifische Stimulierung einzelner Wachstumsparameter unter Praxisbedingungen zur Resistenzentwicklung beitragen kann ist fraglich. Für ein vollständiges Verständnis der Entwicklung von Herbizidresistenz sollten hormetische Effekte dennoch als ein potenzieller Faktor der Resistenzevolution in Erwägung gezogen werden.

Stichwörter: Biphasisch, Herbizide, Wachstumsstimulierung, Wirkortresistenz

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Veröffentlicht

2014-02-11

Ausgabe

Rubrik

Sektion 1: Herbizidresistenz - Methoden / Herbicide resistance - methods