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Doctoral Thesis
2015
Distribution, detection and genetic background of herbicide-resistant Alopecurus myosuroides (Huds.) in Germany
Distribution, detection and genetic background of herbicide-resistant Alopecurus myosuroides (Huds.) in Germany
Abstract (English)
Weed control is an important part in agricultural practice. Since selective herbicides were introduced, the labour-intensive mechanical weed control was replaced by chemicals. The use of chemicals for weed control has become increasingly problematic due to the evolution of herbicide-resistant weeds. In Germany, Alopecurus myosuroides (Huds.) is one of the most problematic weeds concerning herbicide resistance. The first resistant black-grass biotype in Germany was found in 1982.
More than 30 years after the first resistant black-grass was found in Germany (1982), there are still numerous unsolved questions and challenges concerning the problem of herbicide resistance. Further knowledge about the distribution, the detection, and the genetic background of different resistance mechanisms is needed to find comprehensive solutions for the future. Knowledge about the occurrence and distribution of herbicide-resistant black-grass in Germany, and the herbicides primarily affected may provide more detailed information for farmers to quickly react on upcoming resistances. Moreover, if the genetic background of resistance is better understood, practical conclusions regarding the choice of herbicides and management tools can be drawn. Furthermore, a reliable and easy-to-handle test system for the detection of resistances would enable farmers to react faster and in a more targeted manner.
The aim of the present study was to investigate these aspects addressing herbicide-resistant black-grass in Germany.
How widespread is TSR in Germany? Did the amount of TSR change over the years? Are there “TSR-hot spots” in Germany?
The first paper addressed ACCase and ALS-resistant black-grass samples in Germany. It dealt with the distribution and development of TSR in Germany over a period of nine years. It could be demonstrated that TSR was more widespread than expected. The frequency of ACCase-TSR increased from 4.0% in 2004 to 38.5% in 2012. ALS-TSR rose from 0.8% in 2007 to 13.9% in 2012. Both TSRs significantly increased over time within a standing number of seed samples over the years.
How many genes are involved in NTSR? Are there differences between the plants and can we detect cross-resistances?
The second paper dealt with the inheritance of NTSR conferring resistance to chlorotoluron, fenoxaprop-P-ethyl, pinoxaden, mesosulfuron + iodosulfuron, and flufenacet in six different black-grass plants. Segregation analyses of the quantitative trait showed a minimum of five loci conferring specific resistances. The resistances against chlorotoluron and fenoxaprop-P-ethyl were mostly conferred by one locus, whereas resistances against pinoxaden and mesosulfuron + iodosulfuron were mostly conferred by a minimum of two loci. A minimum of one to three loci explained resistance to flufenacet. The accumulation of resistance loci in individual plants could be achieved by the study. Furthermore, the number of loci was shown to be herbicide- and plant-specific which further confirms the complexity of NTSR.
How is it possible to test pre-emergence herbicides in black-grass? Which test system is the most reliable?
The aim of the third paper was to find a reliable test system to monitor pre-emergence herbicide resistance in black-grass. It is widely known that diverse sites of action can be affected by NTSR. Moreover, resistance against pre-emergence herbicides belonging to the HRAC groups N, K3, and C2 occur. The outcomes of the study indicate that a soil-based greenhouse test with pre-germinated seeds is most suitable for resistance detection. Discriminating herbicide rates which were able to distinguish between the resistant and susceptible black-grass biotypes were found for all of the herbicides tested. This enables a reliable, quick, and easy way to identify pre-emergence resistance.
In conclusion, herbicide-resistant black-grass has become an increasing problem in Germany. The high frequency of nearly 40% ACCase TSR on resistance suspected sites highlights the importance of changes in agricultural practices. The aim should be to avoid the repeated use of single site of action herbicides in short term crop-rotations with large quantities of winter cereals. The accumulation of NTSR loci in single plants increases the risk of biotypes with broad resistances against many different modes of action. Resistance linkages were found to be plant-specific which may result in unpredictable resistance situations in the field. Even pre-emergence herbicides can be affected by NTSR. An option to detect these resistances is provided by a soil-based greenhouse bioassay with pre-germinated seeds.
Abstract (German)
Unkrautregulierung ist einer der wichtigsten Aspekte im Ackerbau. Seit der Einführung selektiver Herbizide wurde die intensive Handarbeit durch chemische Unkrautbekämpfung ersetzt. Mittlerweile ist der verstärkte Herbizideinsatz zunehmend problematisch, da sich herbizid-resistente Unkräuter entwickeln. In Deutschland gilt der Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.) als eines der problematischsten Unkräuter hinsichtlich der Herbizidresistenz. Obwohl seitdem dem ersten Resistenzfund im Jahr 1982 mehr als 30 Jahre vergangen sind, bestehen in der Wissenschaft noch viele ungelöste Fragen bezüglich Herbizidresistenz. Zusätzliches Wissen über die Verbreitung, die Erkennung und den genetischen Hintergrund verschiedener Resistenzmechanismen ist nötig, um umfassende Lösungsansätze für die Zukunft zu entwickeln. Die Kenntnis über das Auftreten und die Verbreitung von herbizid-resistentem Ackerfuchsschwanz in Deutschland und darüber, welche Herbizide am häufigsten betroffen sind, kann Landwirten zielgerichtet Informationen geben, um schnell auf aufkommende Resistenzen zu reagieren. Weiterhin kann ein besseres Verständnis des genetischen Hintergrunds von Resistenz zu praktischen Schlussfolgerungen für die Herbizidwahl benutzt werden. Außerdem kann ein zuverlässiges und einfach zu handhabendes Testsystem zur Resistenzerkennung den Landwirten eine schnelle und zielgerichtete Reaktion ermöglichen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese verschiedenen Aspekte bezüglich herbizid-resistenten Ackerfuchsschwanz in Deutschland näher zu beleuchten.
Wie verbreitet ist Zielortresistenz in Deutschland? Veränderte sich der Anteil von Zielortresistenz in den letzten Jahren? Existieren Orte mit besonders hohem Zielortresistenzanteil?
Die erste Publikation untersuchte ACCase und ALS-resistenten Ackerfuchsschwanzproben in Deutschland und betrachtete die Verbreitung und Entwicklung von TSR über neun Jahre in Deutschland. Zielortresistenz zeigte sich als weiter verbreitet als vermutet. Die Häufigkeiten von ACCase-TSR stieg von 4,0% im Jahr 2004 auf 38,5% im Jahr 2012. ALS-TSR stieg von 0,8% im Jahr 2007 auf 13,9% im Jahr 2012. Beide TSR Anteile stiegen über die Jahre signifikant an.
Wie viele Genorte sind an Nicht-Zielortresistenz (NTSR) beteiligt? Bestehen Unterschiede zwischen Pflanzen und gibt es Kreuz-Resistenzen?
Die weite Publikation handelte von der Vererbung von NTSR gegen Chlortoluron, Fenoxaprop-P-Ethyl, Pinoxaden, Mesosulfuron + Iodosulfuron und Flufenacet in sechs verschiedenen Ackerfuchsschwanzpflanzen. Die Aufspaltungsverhältnisse des quantitativen Merkmals zeigten ein Minimum von fünf Loci, die herbizid-spezifische Resistenzen bewirken. Resistenzen gegenüber Chlortoluron und Fenoxaprop-P-ethyl wurden meistens durch einen Genort bedingt, während an den Resistenzen gegenüber Pinoxaden und Mesosulfuron + Iodosulfuron meistens mindestens zwei Genorte beteiligt waren. Mindestens drei Genorte zeigten sich an der Resistenz gegenüber Flufenacet bei den meisten der untersuchten Pflanzen beteiligt. Die Anreicherung von Resistenz-Genorten in einzelnen Pflanzen konnte in der Studie gezeigt werden. Weiter zeigte sich die Anzahl Genorte als pflanzen-spezifisch, was die Komplexität von NTSR bekräftigt.
Wie kann Resistenz gegen Vorauflaufherbizide bei Ackerfuchsschwanz getestet werden? Welches ist das geeignetste Testsystem?
Das Ziel der dritten Veröffentlichung war es, ein verlässliches Testsystem für Resistenz-Monitorings von Vorauflaufherbiziden bei Ackerfuchsschwanz zu finden. Es ist bekannt, dass NTSR verschiedene Wirkmechanismen betreffen kann. Auch Resistenzen gegenüber Vorauflaufherbiziden, die zu den HRAC Gruppen C2, N und K3 gehören, treten auf. Die Ergebnisse der dritten Untersuchung zeigen, dass ein Gewächshaustest mit Boden und vorgekeimten Samen eine geeignete Methode ist, um diese Resistenzen nachzuweisen. Kritische Dosierungen für die Unterscheidung zwischen resistenten und sensitiven Ackerfuchsschwanzbiotypen konnten für alle getesteten Herbizide gefunden werden. Dies ermöglicht eine verlässliche, schnelle und praktikable Durchführung von Resistenztests.
Zusammenfassend ergibt sich, dass herbizid-resistenter Ackerfuchsschwanz in Deutschland ein zunehmendes Problem darstellt. Der hohe Anteil von fast 40% ACCase-TSR bei Resistenzverdachtsfällen hebt die Wichtigkeit von Veränderungen in der ackerbaulichen Praxis deutlich hervor. Die Anreicherung von NTSR Loci in Einzelpflanzen erhöht das Risiko für Biotypen mit breiten Resistenzen gegen viele verschiedene Wirkstoffe. Pflanzenspezifische Resistenzverknüpfungen wurden gefunden, wodurch nicht vorhersagbare Resistenzsituationen auf den Feldern möglich sind. Sogar Vorauflaufherbizide können durch NTSR unwirksam werden. Eine Möglichkeit, diese Resistenzen zu überprüfen ist durch einen Gewächshaustest mit Boden und vorgekeimten Samen für die geprüften Wirkstoffe gegeben.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Phytomedicine
Examination date
2015-07-06
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Rosenhauer2015,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5935},
author = {Rosenhauer, Maria},
title = {Distribution, detection and genetic background of herbicide-resistant Alopecurus myosuroides (Huds.) in Germany},
year = {2015},
school = {Universität Hohenheim},
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