Study of the occurrence of herbicide resistance in weed species and modeling of the dynamic of resistant weed populations in field crops: case studies of Papaver rhoeas and Sinapis species

Abstract

La expansió de males herbes resistents als herbicides es converteix en un problema creixent en l'agricultura moderna. A Tunísia, el control de Papaver rhoeas L., Sinapis alba L.i Sinapis arvensis L. en cultius de cereals és cada cop més difícil quan s’usen herbicides inhibidors de la acetolactat sintasa (ALS) i auxines. Aquest estudi té com a objectiu determinar si la disminució de l'eficàcia es deu a l'evolució de males herbes resistents o a mesures de control subòptimes. Vam emprendre aquest treball per (i) determinar la presència de resistència a herbicides inhibidors d'ALS i auxines en poblacions de les tres espècies de males herbes, (ii) estudiar els mecanismes de resistència i (iii) desenvolupar models de germinació i emergència per a Sinapis spp. La resistència va ser confirmada en les tres espècies de males herbes. Els nivells de resistència es van estudiar mitjançant experiments de resposta a dosis, seqüenciació del gen ALS, experiments de metabolisme i simulacions d'acoblament de lligands. Els experiments de resposta a dosis van revelar una resistència creuada en les tres espècies de males herbes a Sulfonilurees i Imidazolinones. L'anàlisi de seqüències va revelar diferents mutacions puntuals, principalment a les posicions 197, 376 i 574. L'acoblament de lligands va confirmar la resistència creuada en Sinapis spp. Es va confirmar un metabolisme incrementat mitjançant l'aplicació d'un inhibidor de citocrom P450 monooxigenases (Cyt. P450s) las inhibidores de l’ALS. Es va trobar resistència a dicamba en P. rhoeas i S. alba, amb un metabolisme incrementat involucrant també els Cyt. P450s. Aquestes dues espècies es caracteritzen per una resistència múltiple/creuada a herbicides inhibidors d'ALS i auxines. Per controlar eficaçment les males herbes, és crucial entendre la seva biologia. Es van realitzar experiments de germinació a diferents temperatures i proves d'emergència al camp en S. alba i S. arvensis. Els objectius eren: (i) calcular la temperatura base per a la germinació de les dues espècies; (ii) desenvolupar un model de germinació per a cada espècie; i (iii) crear models d'emergència basats en la temperatura per a dos climes mediterranis, a Espanya i Tunísia. La temperatura base de S. arvensis va ser de 1,47 °C i la de S. alba de 2,85 °C. Es van establir amb èxit models de germinació i els models d'emergència van predir amb precisió els patrons d'emergència al camp. S. arvensis seria més difícil de gestionar que S. alba a causa de la seva emergència esglaonada. Aquests models són essencials per desenvolupar sistemes d'ajuda a la presa de decisions i programes de gestió integrada de males herbes.

La expansión de malas hierbas resistentes a los herbicidas se está convirtiendo en un problema creciente en la agricultura. En Túnez, el control de Papaver rhoeas L., Sinapis alba L. y Sinapis arvensis L. en cultivos de cereales es cada vez más difícil cuando se aplican herbicidas inhibidores de la acetolactato sintasa (ALS) y auxinas. Este estudio tiene como objetivo determinar si la disminución de la eficacia se debe a la evolución de malas hierbas resistentes o a medidas de control subóptimas. Emprendimos este trabajo para (i) determinar la presencia de resistencia a herbicidas inhibidores de la ALS y auxinas en poblaciones de las tres especies de malas hierbas, (ii) estudiar los mecanismos de resistencia, y (iii) desarrollar modelos de germinación y emergencia para Sinapis spp. La resistencia fue confirmada en las tres especies de malas hierbas. Los niveles de resistencia se estudiaron mediante experimentos de respuesta a dosis, secuenciación del gen ALS, experimentos de metabolismo y simulaciones de acoplamiento de ligandos. Los experimentos de respuesta a dosis revelaron una resistencia cruzada en las tres especies de malas hierbas a Sulfonilureas e Imidazolinonas. El análisis de secuencias reveló diferentes mutaciones puntuales, principalmente en las posiciones 197, 376 y 574. El acoplamiento de ligandos confirmó la resistencia cruzada en Sinapis spp. Se confirmó un metabolismo incrementado mediante la aplicación de un inhibidor de citocromo P450 monooxigenasas (Cyt. P450s) para los inhibidores de la ALS. Se encontró resistencia a dicamba en P. rhoeas y S. alba, con un metabolismo incrementado involucrando también los Cyt. P450s. Estas dos especies se caracterizan por una resistencia múltiple/cruzada a herbicidas inhibidores de ALS y auxinas. Para controlar eficazmente las malas hierbas, es crucial entender su biología. Se realizaron experimentos de germinación a diferentes temperaturas y pruebas de emergencia en el campo en S. alba y S. arvensis. Los objetivos eran: (i) calcular la temperatura base para la germinación de las dos especies; (ii) desarrollar un modelo de germinación para cada especie; y (iii) crear modelos de emergencia basados en la temperatura para dos climas mediterráneos, en España y Túnez. La temperatura base de S. arvensis fue de 1,47 °C, y la de S. alba de 2,85 °C. Se establecieron con éxito modelos de germinación y los modelos de emergencia predijeron con precisión los patrones de emergencia en el campo. S. arvensis sería más difícil de manejar que S. alba debido a su emergencia escalonada. Estos modelos son esenciales para desarrollar sistemas de ayuda a la toma de decisiones y programas de manejo integrado de malas hierbas.

The establishment and spread of weeds that are resistant to the main modes of action of herbicides are one of the most serious and fastest growing problems in modern agriculture. In Tunisia, the control of Papaver rhoeas L., Sinapis alba L. and Sinapis arvensis L. in cereal crops with acetolactate synthase (ALS)-inhibiting herbicides and auxins is increasingly decreasing. This study was undertaken to (i) determine the occurrence of resistance to ALS-inhibiting herbicides and auxins in the three weed species, (ii) study the mechanisms of weed resistance and (iii) study the dynamics of resistant weed populations through the development of germination and emergence models of sinapis species. The resistance was confirmed in the three weed species. Levels of resistance were investigated using dose–response experiments, and to study the mechanism(s), ALS gene sequencing, metabolism experiments and ligand docking were conducted. Dose–response experiments revealed the development of cross-resistance in the three weed species to different families of ALS-inhibitors, namely Sulfonylureas and Imidazolinones. Sequence analysis revealed different point mutations, mainly at positions 197, 376, and 574. Docking confirmed the cross-resistance patterns in Sinapis spp. Metabolism was confirmed through the application of cytochrome P450 monooxygenases (Cyt. P450s) inhibitor for ALS-inhibitors in the three species. Resistance to dicamba was found in P. rhoeas and S. alba and enhanced metabolism-involving Cyt. P450s is confirmed too. These two species were characterized multiple or/and cross-resistance to ALS-inhibiting herbicides and auxins. To establish the most effective control measures for weeds, a thorough understanding of weed biology and ecology is essential. In this context, P. rhoeas has been extensively studied. Laboratory germination experiments at various constant temperatures, along with field emergence experiments, were conducted on Sinapis spp to (i) determine the base temperature for germination of both species; (ii) develop a germination model for each species; and (iii) create temperature-based emergence models applicable to two different Mediterranean climates, specifically in Spain and Tunisia. Our results showed that the base temperature of S. arvensis and S. alba were 1.47 °C and 2.85, respectively. Laboratory germination models for Sinapis spp were successfully developed. Emergence models based on hourly thermal time accurately predicted field emergence patterns. S. arvensis was found to be more difficult to manage than S. alba due to staggered emergence. These models are crucial for the development of decision support systems and integrated weed management programs.