Consequences for weed management in crop rotations by introducing imidazolinone-tolerant oilseed rape varieties

Abstract

OSR (Brassica napus L.) is one of the most important arable oil crops globally and is grown on an area of 31,680,945 ha as winter- and spring-sown varieties. The harvest is mainly used in human nutrition, animal feeding and as a renewable resource for the production of paints, varnishes and biodiesel. OSR can be considered a quite competitive crop but nonetheless weed control is carried out on the vast majority of the grown area. The most common treatments are done PRE-E or early POST-E, mainly as prophylactic treatments without exact knowledge of the weed species or their densities. In order to facilitate a more targeted weed control in OSR, IT varieties combined with the corresponding imidazolinone herbicide imazamox (target-site is ALS) + metazachlor/quinmerac (Clearfield® production system) were developed for the European market by BASF SE and several breeding companies. By integrating IT plants into cropping systems, herbicide-tolerance genes will appear in agricultural ecosystems. Unless the tolerance is achieved by non-transgenic breeding methods, the introduction creates concerns regarding spreading the herbicide-tolerance in space and time causing unwanted changes for volunteer OSR management. The aim of the present study was to investigate important aspects, which are likely to arise with a commercial introduction and cultivation of IT OSR in Europe: POST-E weed control was successful using IT varieties. The total herbicide efficacy of imazamox/metazachlor/quinmerac was about 90 % in the field trials. Good results were achieved against volunteer cereals, Thlaspi arvense, Chenopodium album, Matricaria inodora, Papaver rhoeas, Capsella bursa-pastoris and Apera spica-venti but a lack of efficacy was observed regarding control of Agropyron repens and Viola arvensis. Yield was increased significantly in treated plots compared to untreated ones by up to 50 %. IT OSR can be a tool for the use of damage thresholds in integrated weed management in OSR. Outcrossing between IT and IS OSR varieties was confirmed with outcrossing frequencies between 0.57 and 2.05 % between pollen donors and acceptors that were directly adjacent. Outcrossing declined significantly with increasing distance but was still found 45 m from IT plants. The transfer of both tolerance genes and heterozygosity was shown by 84 % of analysed F1-plants. A cross-tolerance of IT OSR to SUs, TPs and SCTs was shown in greenhouse bioassays and field trials with calculated resistance factors between 5 and 775. Furthermore, homozygous IT plants expressed a much higher tolerance level compared to heterozygous ones. Herbicides with alternative modes of action other than HRAC B (ALS-inhibition) were found to be effective to control IT volunteers in subsequent crops. Pendimethalin, picolinafen, isoproturon, diflufenican, florasulam, flufenacet and flurtamone controlled IT volunteers in WW. In sugar beet, herbicide combinations with metamitron, desmedipham, phenmedipham, ethofumesate, chloridazon and lenacil were able to control IT volunteers but single active ingredients were not. Significant negative correlations were detected for the independent variable volunteer OSR density and the wheat yield parameters heads m-2, HW and yield. In contrast, moisture content of wheat and percentage of dockage increased with increasing volunteer density. The highest volunteer density of 261 plants m-2 caused a maximum yield loss of 68 % in WW. Based on a non-linear regression analysis, a single volunteer OSR plant per m2 causes a yield loss of between 0.74 and 1.61 %. In conclusion, the use of IT OSR varieties can substitute the herbicide clomazone in the future and provide POST-E weed control with detailed knowledge of the weed spectrum. This can promote integrated weed management, the use of damage thresholds in weed control and working management benefits for growers. Clearly, difficulties in volunteer management are a drawback of IT OSR, but with conducting an accurate, delayed tillage after OSR harvest and adjusting herbicide regimes in subsequent crops, IT volunteers should not cause more harm compared to IS OSR volunteers. Based on the assumption that innovations in development of new active ingredients for weed control cannot be expected, the use of HT crops has to be seen as a major tool to solve issues in weed management.

Raps (Brassica napus L.) ist eine der weltweit wichtigsten Ölpflanzen und wird auf einer Fläche von 31.680.945 ha als Winter- und Sommerform angebaut. Die geernteten Rapssamen werden vornehmlich in der menschlichen Ernährung, als Futtermittel für Nutztiere oder als Grundlage für die Produktion von Farben, Lacken und Biodiesel verwendet. Raps ist eine sehr konkurrenzstarke Kultur, aber trotzdem werden auf einem Großteil der Rapsanbaufläche Herbizide zur Unkrautbekämpfung angewendet. Im Wesentlichen werden prophylaktische Maßnahmen im Vorlauf oder sehr frühen Nachauflauf durchgeführt, ohne die genaue Verunkrautungssituation zu kennen. Um eine gezieltere Unkrautkontrolle zu ermöglichen, wurde eine Kombination aus IT Rapssorten und dem korrespondierenden Imidazolinonherbizid Imazamox (Zielort ist ALS) in Mischung mit Metazachlor und Quinmerac von BASF SE und Pflanzenzüchtungsfirmen entwickelt. Dieses System soll unter dem Namen Clearfield® europaweit angewendet werden. Durch die Integration von IT Rapssorten in Fruchtfolgen werden Herbizidtoleranzgene in Agrarökosystemen auftreten. Die Herbizidtoleranz wurde zwar durch Methoden der konventionellen Pflanzenzüchtung erreicht, nichtsdestotrotz ruft die räumliche und zeitliche Verbreitung dieser Gene Bedenken hervor und könnte wesentliche Veränderungen in der Ausfallrapskontrolle bedingen. Ziel der vorliegenden Untersuchung was es, wichtige agronomische Askekte zu beleuchten, die mit einer kommerziellen Einführung und dem großflächigen Anbau von IT OSR einhergehen. Die Unkrautkontrolle im Nachauflauf in IT Winterraps konnte mit einem Gesamtwirkungsgrad von 90 % erfolgreich durchgeführt werden. Eine sehr gute Wirksamkeit gegen Ausfallgetreide, Thlaspi arvense, Chenopodium album, Matricaria inodora, Papaver rhoeas, Capsella bursa-pastoris and Apera spica-venti und Wirlungslücken gegen Agropyron repens und Viola arvensis wurden beobachtet. Der Ertrag konnte durch die Herbizidmaßnahme im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle um bis zu 50 % gesteigert werden. Die Verwendung herbizidtoleranter Rapssorten kann ein Werkzeug zur Anwendung von Schadensschwellen im Rahmen einer integrierten Rapsproduktion sein. Intaspezifischer Gentransfer zwischen IT und empfindlichen Rapssorten wurde bestätigt, wobei die Auskreuzungsraten zwischen 0,57 und 2,05 % in unmittelbarer Nachbarschaft beider Rapsgenotypen lagen. Die Auskreuzungsraten verringerten sich signifikant mit steigender Entfernung, aber auch in 45 m Entfernung zum Pollenspender wurde Genübertragung phänotypisch nachgewiesen. Die Übertragung beider Toleranzgene und Heterozygotie bestätigte sich auf genetischer Ebene für 84 % der F1-Pflanzen. Eine Kreuztoleranz der IT Rapspflanzen gegenüber den chemischen Klassen Sulfonylharstoffe, Triazolopyrimidine and Sulfonylamino-Carbonyltriazolinone wurde sowohl in Gewächshausstudien als auch im Feld deutlich. Errechnete Resistenzfaktoren lagen zwischen 5 und 775. Außerdem exprimierten homozygot IT Rapspflanzen höhere Toleranzlevel im Vergleich zu heterozygoten Pflanzen. Herbizide, die nicht die ALS als Zielenzym angreifen, zeigten eine gute Wirksamkeit zur Bekämpfung von IT Ausfallraps in Winterweizen (Pendimethalin, Picolinafen, Isoproturon, Diflufenican, Florasulam, Flufenacet und Flurtamone) und Zuckerrüben (Metamitron, Desmedipham, Phenmedipham, Ethofumesat, Chloridazon, und Lenacil). Wobei in Zuckerrüben ausschließlich Herbizidmischungen hohe Wirkungsgrade erreichten. Signifikant negative Korrelationen zeigten sich zwischen der Einflussvariable Ausfallrapsdichte und den Parametern Weizenertrag, Ährendichte m-2 und Hektolitergewicht. Die Feuchte und der Besatz des Erntegutes stiegen demgegenüber bei ansteigender Ausfallrapsdichte. Die höchste Ausfallrapsdichte von 261 Pflanzen m-2 in Winterweizen führte zu einem Ertragsverlust von 68 %. Basierend auf einer nicht-linearen Regressionsanalyse kann eine Ausfallrapspflanze pro m2 zu einem Ertragsverlust zwischen 0,74 und 1,61 % führen. Als Schlussfolgerung lässt sich festhalten, das die Anwendung von IT Rapssorten den umstrittenen Wirkstoff Clomazone ersetzten und zu einer zielgerichteten Unkrautkontrolle im Nachauflauf im Raps führen kann. Verfahren der integrierten Unkrautbekämpfung und die Anwendung von wirtschaftlichen Schadensschwellen werden unterstützt und Verbesserungen im Arbeitsmanagement der Landwirte sind möglich. Jedoch ist das Auftreten von IT Ausfallraps ein deutlicher Nachteil des Anbausystems. Wird aber eine effektive und verzögerte Bodenbearbeitung nach der Rapsernte mit der Anpassung von Herbizidstrategien in Folgekulturen verknüpft, sollten IT Ausfallrapspflanzen nicht problematischer sein als momentan auftretende, nicht IT Ausfallrapspflanzen. Innovationen in der Entwicklung neuer herbizider Wirkstoffe sind nicht zu erwarten. Dementsprechend ist die Verwendung herbizidtoleranter Kulturpflanzen ein bedeutendes Werkzeug zur Lösung wichtiger Probleme in der Unkrautbekämpfung.