Weed resistance diagnostic technologies to detect herbicide resistance in cerealgrowing areas. A review

Autor/innen

  • Roland Beffa
  • Andrea Figge
  • Lothar Lorentz
  • Martin Hess
  • Bernd Laber
  • Juan Pedro Ruiz-Santaella

DOI:

https://doi.org/10.5073/jka.2012.434.008

Abstract

Cereals are major crops used for food and feed. By 2050, the world population is expected to be close to 10 billion requiring a doubling of the food production from a fixed area of arable land. The control of weeds in cropping systems is one key step to optimize yield. In the last several decades, herbicides have become the most effective management tool for adequate weed control. However, their repetitive use, as well as the limited number of modes of action (MoA) available, has led to the development of resistance in weeds. It has become imperative to change practices that lead to the development of weed resistance in order to protect those MoAs which are still effective in cereals. Several mechanisms of resistance have been developed by weeds to survive herbicide applications. Among them, gene mutations reducing or inhibiting herbicide binding by conferring amino-acid changes in a target enzyme (Target Site Resistance, TSR) and detoxification of the herbicide (Enhanced Metabolic Resistance, EMR) are the main mechanisms in key grass weeds found in cereal crops. These two mechanisms have been extensively studied during the last years and, thus, enabled the development of analytical tools for resistance diagnosis. Sustainable strategies for weed management using herbicides rely on accurate resistance diagnostics that permit optimization of treatment solutions that will lead to herbicide longevity. Greenhouse and laboratory tests used for resistance diagnosis will be reviewed with an emphasis on biochemical and molecular biology technologies. Cases of resistance to ACCase inhibitor herbicides will be presented as examples. Finally, the future development of these technologies will be discussed in the perspective of more practical uses.

Keywords: ACCase, ALS, bioassays, HPLC analyses, non-target-site resistance, pyrosequencing, target-site resistance

Diagnosetechnologien zur Detektion von Herbizidresistenz im Getreideanbau . Ein Überblick

Getreide ist zurzeit die wichtigste Grundlage für unsere Nahrungs- und Futtermittelproduktion. Die Getreideproduktion muss jedoch, im Hinblick auf den bis 2050 erwarteten weltweiten Bevölkerungsanstieg auf nahezu 10 Mrd. Menschen und die gleichbleibende landwirtschaftliche Nutzfläche, mindestens verdoppelt werden, um ausreichend Nahrungsmittel bereit zu stellen. Herbizide haben sich in den vergangenen Jahrzehnten zu einem der wichtigsten Instrumente der Unkrautbekämpfung entwickelt, da sie eine maßgebliche Möglichkeit darstellen den Ertrag zu steigern. In einigen Fällen allerdings, führt sowohl die wiederholte Anwendung von Herbiziden als auch die begrenzte Auswahl an verfügbaren herbiziden Wirkmechanismen (MoA) zu einer ernstzunehmenden Resistenzentwicklung in Unkräutern. Diese Entwicklung macht es erforderlich die Anwendung von Herbiziden so zu verändern, dass eine weitere Resistenzentwicklung vermieden wird und vorhandene Wirkstoffe auch in Zukunft der Unkrautbekämpfung im Getreide zur Verfügung stehen.

Verschiedenste Resistenzmechanismen gegen Herbizide haben sich in Unkräutern herausselektiert und sind in den vergangenen Jahren intensiv untersucht worden. Dazu zählen in Getreideunkräutern vor allem die wirkortspezifische Resistenz (Target Site Resistenz, TSR) und die Metabolisierung von Wirkstoffen (Enhanced Metabolic Resistance, EMR oder Non-Target-Site Resistenz, NTSR). Die erarbeiteten Erkenntnisse lassen sich mittlerweile zuverlässig zur Resistenzdiagnose in Unkräutern verwenden. Zuverlässige Diagnoseverfahren für Herbizidresistenz bei Unkräutern werden insbesondere für die Entwicklung nachhaltiger Strategien im Unkrautmanagement und zur Verlängerung der Produktlebensdauer benötigt. Eine zuverlässige Diagnose hilft zudem in Problemfällen Herbizidapplikationen anpassen oder optimieren zu können.

In dieser Studie werden schwerpunktmäßig biochemische und molekularbiologische Diagnosemethoden für Herbizidresistenz in Unkräutern aus Gewächshaus und Labor vorgestellt und am Beispiel ACCase resistenter Unkräuter verdeutlicht. Schließlich wird die zukünftige Entwicklung dieser Technologien im Zusammenhang mit der praktischen Anwendung diskutiert.

Stichwörter: ACCase, ALS, Bioassay, HPLC-Metaboliten-Analytik, Non-Target-Site Resistenz, Pyrosequencing, Target-Site Resistenz

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Veröffentlicht

2012-03-06

Ausgabe

Rubrik

Herbizidresistenz bei Unkräutern / Herbicide resistance in weeds