Chlorophyll fluorescence response to herbicide stress in <i>Alopecurus myosuroides</i>

Abstract

Herbicide resistance has been a widely spread problem all over the world. The resistance detection is usually complicated and financial resources consuming. A sensor based monitoring of herbicide resistance would make the resistance detection much faster and spends less. In this research, greenhouse and field experiments with susceptive and resistant populations were conducted to study the chlorophyll fluorescence response of Alopecurus myosuroides after herbicide treatment. The fluorescence sensor WEED-PAM was used for measuring the maximum photosynthesis system II quantum yield (Fv/Fm) of Alopecurus myosuroides after the application for two weeks.
The Fv/Fm values of all untreated plants were around 0.7. In the greenhouse, Fv/Fm values of treated susceptive plants reduced significantly from 0.7 to 0.6-0.65 since 3 DAT (days after treatment), but Fv/Fm values of herbicide resistant populations show no significant reductions with ALS and ACCase treatments. With the treatment of PSII inhibitors the Fv/Fm values of susceptive and resistant plants decreased to 0.25 and 0.6 (3DAT) and further to 0.1 and 0.5 (14 DAT), respectively. The field experiments show corresponding results to the greenhouse test. With ALS and ACCase treatment, significant Fv/Fm reduction for the susceptive populations can be detected between 3-7 DAT. During the measurement of PS II inhibitor treatment, Fv/Fm values of susceptive plants decreased continuously from 0.5 to 0.2, while the value of resistant population kept stable in range 0.3-0.4.
The prototype WEED-PAM is suitable for the detection of herbicide effects based on Fv/Fm values and takes less time than visual assessment. This research shows the potential usage of fluorescence meter in herbicide resistance detection.

Chlorophyll-Fluoreszenz-Reaktion auf Herbizidstress bei Alopecurus myosuroides

Herbizidresistenz ist zu einem weit verbreiteten Problem weltweit geworden. Die Detektion von Resistenzen ist in der Regel kompliziert und kostenintensiv. Eine sensorbasierte Überwachung von Herbizidresistenz würde deren Bestimmung viel schneller und günstiger machen. In dieser Arbeit wurden Feld- und Gewächshausexperimente mit sensitiven und resistenten Populationen von Alopecurus myosuroides durchgeführt. Hierbei wurde die Chlorophyllfluoreszenz der Pflanzen gemessen um die Wirkung von Herbizid-Behandlungen zu untersuchen. Die maximale Quantenausbeute des Photosystem II (Fv/Fm) von Alopecurus myosuroides wurde nach der Herbizid-Behandlung für zwei Wochen mit dem Chlorophyll-Fluoreszenz-Sensor WEEDPAM gemessen.
Die unbehandelten Kontrollpflanzen zeigten stabile Fv/Fm Werte von rund 0,7. In den Gewächshausversuchen mit ALS und ACCase Hemmern sanken die Fv/Fm Werte der behandelten sensitiven Pflanzen 3 TnA (Tage nach Applikation) signifikant von 0.7 auf 0.6-0.65 ab. Die resistenten Pflanzen hingegen zeigten keine signifikanten Abnahmen. Die Fv/Fm-Werte sanken in der Behandlung mit PS II-Inhibitoren innerhalb von 3-4 Tagen in der sensitiven Population auf 0.25 und in den resistenten Pflanzen auf 0.6, 14 TnA zeigten sich für sensitive Pflanzen noch niedrigere Werte von 0.1, wohingegen resistente Pflanzen Werte von 0.5 aufwiesen. Die Feldversuche zeigten ähnliche Ergebnisse wie die Gewächshausversuche. In den ALS- und ACCase Behandlungen wurden für die sensitiven Populationen signifikante Fv/Fm Reduktionen bereits nach 3-7 TnA festgestellt. In den Behandlungen mit PS II Inhibitoren fielen die Fv/Fm Werte der sensitiven Pflanzen kontinuerlich von 0.5 auf 0.2 ab (innerhalb von 14 Tagen), während die resistenten Pflanzen stabil auf einem Wert von 0.3-0.4 blieben. Der WEED-PAM Prototyp eignet sich für die sensorbasierte Stress-Detektion von Herbizideffekten mittels der Fv/Fm Werte. Weiterhin ist diese Methode sehr viel schneller als die visuelle Beurteilung der Herbizidsymptome. Diese Untersuchung zeigt den potentiellen Nutzen von Fluoreszenzmessgeräten für die Erfassung von Herbizidresistenzen.