Management of volunteers derived from imidazolinone-tolerant oilseed rape

Abstract

Oilseed rape (OSR) has become the second most important oilseed crop after soybean worldwide, producing 70.95 million tons of seed yield, and providing 13.4% of world supply of oilseeds in 2014. The demand for OSR is expected to increase due to protein meals/cakes used in animal feed and vegetable oils/fats for biodiesel and human consumption. With increasing cultivation area, concern over volunteer OSR is rising, particularly if the variety in question is tolerant to specific herbicides. Currently, the introduction of imidazolinone-tolerant OSR (commercially named Clearfield® OSR; CL OSR) into Europe poses new challenges for chemical control of CL OSR volunteers because of their tolerance to imidazolinone herbicides and other acetolactate synthase (ALS) inhibiting herbicides. Additionally, the potential of gene dispersal in time and space by persistent dormant seeds in the soil and by volunteers is increasing. Volunteers emerge from the soil seed bank, the volume of which is predominantly dependent on seed dormancy. Therefore, the objectives of this study were (i) to investigate seed dormancy and dormancy formation of CL OSR, and (ii) to find out suitable agricultural strategies to reduce volunteers by growing OSR genotypes with low potential for seed dormancy and seed survival, and by implementing appropriate tillage operations. Focusing on these aims, several experiments were carried out with different methods, namely field experiments, germination tests in the laboratory, and genomic analysis, providing data for three scientific articles. Experiment 1. A 3-year field trial in south-west Germany investigated dormancy dynamics during seed development (primary dormancy and potential secondary dormancy; tested with an existing standard method in the laboratory) of 10 non-CL OSR varieties (lines) in 2009 and 2010, and of five CL OSR varieties (hybrids) in 2014. Experiment 2. A total of 15 CL OSR genotypes grown at two locations in south-west Germany in 2012/2013, and eight genotypes (two CL genotypes included) grown at 12 locations across Germany in 2011/2012, were tested for potential secondary seed dormancy with the aim to investigate dormancy traits of CL OSR and maternal environmental effects on dormancy formation. Experiment 3. A 5-year experiment (2011–2015) was conducted in south-west Germany with non-CL OSR and CL OSR (two CL varieties: high dormant and medium dormant) in the same rotation (non-CL winter oilseed rape - winter wheat - CL winter oilseed rape - winter wheat - corn) to investigate OSR volunteer dynamics under different modes of tillage (inversion tillage, non-inversion tillage, no-till, with or without additional stubble tillage prior to primary tillage). Following hypotheses were tested: Experiment 1. (i) There is primary (innate) and secondary (induced) dormancy in oilseed rape; (ii) primary dormancy decreases during seed development, the potential secondary dormancy increases; (iii) at maturity, the level of the remaining primary dormancy and the varietal potential to secondary dormancy correlate. These hypotheses have been approved. Primary dormancy decreased from a high dormancy level (ca. 99%) at about 30 days after flowering (DAF) to a quite low level (< 15%) at late seed development. Embryo growth probably regulates the dynamics of primary dormancy, at least during early seed development. Depending on variety and year, potential secondary dormancy initially increased from nearly 0% to the highest level (up to 90%) at about 70 DAF, and then slightly decreased with further seed development. The correlation between primary dormancy and potential secondary dormancy was high at early seed development, but was quite low at late seed ripening. Experiment 2: (i) There is variation in potential seed dormancy of CL OSR; (ii) F1 (seeded) and F2 (harvested) generations of hybrid CL-OSR show similar dormancy levels although changes through environmental effects are known; (iii) the environment (location) during seed development and maturation has an effect on the potential dormancy. The hypotheses were approved. The CL OSR genotypes differed in potential secondary dormancy from 0.0 to 95.7% in the F1 generation and from 3.5 to 77.9% in their corresponding offspring (F2). Out of the 15 CL genotypes, nine were considered to be low dormant (<30% dormancy level). High correlation (r = 0.96) between F1 and F2 generations indicates a strong inheritance of seed dormancy. Precipitation during seed development is thought to be a contributor to dormancy formation, e.g. the higher the precipitation the higher the dormancy level. These results indicate that selection or breeding for low dormancy CL OSR is feasible. A direct comparison of varieties by dormancy is only possible if they have been grown and harvested at the same location, due to environmental effects. Experiment 3: (i) The soil seed bank size of OSR is determined by post-harvest tillage (particularly tillage time) and seed dormancy traits of the cultivated variety; (ii) the emergence of volunteers from the seed bank also depends on the mode of tillage; (iii) gene segregation in herbicide-tolerance might occur among CL volunteers. These hypotheses were partly approved. There was no significant effect of tillage on the soil seed bank, but the soil seed bank was visibly higher if stubble tillage was done prior to primary tillage (179 vs. 56 seeds m-2; treatments with stubble tillage vs. corresponding treatments without stubble tillage). There were significant effects of tillage in general on volunteers in the next crop. Non-inversion tillage resulted in 30 times more volunteers in the following winter wheat crop than inversion tillage due to shallow seed burial depth. A high dormancy OSR variety resulted in a significantly larger soil seed bank than a medium dormancy variety (147 vs. 58 seeds m&#8722;2) but in fewer volunteers (0.9 vs. 1.9 volunteers m&#8722;2) in the first following crop winter wheat, probably due to slow release of seeds from dormancy. Hypothetically speaking, seeds from low dormancy varieties seem to be released from dormancy more rapidly than seeds from high dormancy varieties. Gene segregation with 10 zygosities of the imidazolinone-tolerance genes PM1 and PM2 was detected in the CL volunteers in the first following crop winter wheat. Approximately 90% of sampled plants were homozygous for PM1 and PM2, still conferring a high tolerance to imidazolinones. Overall, a high variation in potential secondary dormancy was detected for CL OSR, which is similar to non-CL OSR. The contribution of seed dormancy to the soil seed bank was confirmed. During seed development, maternal environment can influence seed dormancy dynamics to some extent. Tillage operations, particularly tillage time, can also influence the soil seed bank and the emergence of volunteers. A very new aspect is that the disposition of seeds to release from dormancy (instead of induction of dormancy) should be considered in further studies. Sound strategies to control volunteers should include (1) the use of low dormancy varieties with a low potential to establish a seed bank and with a fast release from dormancy, and (2) a combination of different tillage operations in the years following OSR cultivation, e.g. delayed inversion tillage with a deep burial depth in the first year, followed by shallow non-inversion tillage in subsequent years. Combined with a thorough knowledge of seed dormancy, of the development of the soil seed bank and of the release from dormancy, the occurrence of CL volunteers in following crops can be reduced or even avoided by a scope of practical methods and approaches proposed in this study.

Raps ist die zweitwichtigste Ölfrucht nach Sojabohnen weltweit. Im Jahr 2014 werden 70,95 Mio Tonnen Raps erzeugt, die 13,4% des globalen Angebots darstellen. Aufgrund der Verwendung von Raps in der menschlichen und tierischen Ernährung sowie für die Herstellung von Biodiesel wird eine Steigerung in der Nachfrage nach Raps erwartet. Mit wachsender Anbaufläche steigt auch die Sorge über möglichen Rapsdurchwuchs, insbesondere wenn die betroffene Sorte Herbizidtoleranz aufweist. Derzeit stellt die Einführung von Imidazolinon-tolerantem Raps (Clearfield®-Raps; CL-Raps) in Europa neue Herausforderungen an die chemische Kontrolle von CL-Durchwuchsraps, da auch andere Herbizide auf Basis von Acetolactatsynthase (ALS)-Inhibitoren nicht mehr oder eingeschränkt wirksam sein können. Außerdem erhöht sich das Potenzial einer zeitlichen und räumlichen Verbreitung der Herbizidtoleranz-Gene mittels überdauernder Rapssamen im Boden und über Durchwuchsraps. Durchwuchsraps geht aus der Bodensamenbank hervor, deren Umfang und Langlebigkeit zu großem Teil von der Keimruhe (Dormanz) abhängt. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren daher (i) die Keimruhe und die Dormanzausprägung bei CL-Raps zu untersuchen und (ii) geeignete pflanzenbauliche Maßnahmen zur Reduzierung von Durchwuchsraps zu entwickeln. Mit dieser Zielsetzung wurden verschiedene Versuche auf unterschiedlichen methodischen Ebenen durchgeführt, nämlich Feldversuche, Keimtests im Labor und genetische Analysen, die die Grundlagen für drei wissenschaftliche Artikel bilden. Versuch 1: Ein dreijähriger Feldversuch in Südwest-Deutschland untersuchte die Dormanzdynamik während der Samenentwicklung (primäre Dormanz sowie Disposition zu sekundärer Dormanz; mit Standardmethoden im Labor getestet) von 10 nicht-CL-Rapssorten (Linien) in den Jahren 2009/2010 und von fünf CL-Rapssorten (Hybride) im Jahr 2014. Versuch 2: Insgesamt 15 verschiedene CL-Rapsgenotypen wurden an zwei Standorten in Südwest-Deutschland im Jahr 2012/13 angebaut, sowie acht Genotypen (einschließlich zwei CL-Genotypen) an 12 Standorten über Deutschland verteilt im Jahr 2011/2012. Diese Genotypen wurden mit einer vorhandenen Standardmethode auf potenzielle sekundäre Dormanz geprüft, mit dem Ziel, die Neigung zur Dormanz von vorliegenden, zum Teil anbaurelevanten CL-Rapssorten zu bestimmen sowie Umwelteffekte während der Samenentwicklung und Abreife auf die Dormanzausprägung zu untersuchen. Versuch 3: Ein fünfjähriger Feldversuch (2011-2015) wurde in Südwest-Deutschland mit nicht-CL-Raps und CL-Raps (zwei Sorten: hoch dormant und mittel dormant) in derselben Fruchtfolge (nicht-CL-Winterraps – Winterweizen – CL-Winterraps – Winterweizen – Mais) durchgeführt, um die Dynamik von Ausfallraps bei verschiedenen Bodenbearbeitungsverfahren zu untersuchen (wendende und nicht-wendende Bodenbearbeitung &#61485; mit oder ohne zusätzlicher Stoppelbearbeitung vor der Grundbodenbearbeitung &#61485; sowie „no-till“). Folgende Hypothesen wurden geprüft: Versuch 1: (i) Bei Raps gibt es primäre (innate) und sekundäre (induzierte Dormanz). (ii) Die primäre Dormanz nimmt während der Samenentwicklung ab, die Fähigkeit zur sekundären Dormanz nimmt zu. (iii) Die Höhe der verbliebenen primären Dormanz und das sortenspezifische Potenzial zur sekundären Dormanz korrelieren miteinander zur Samenreife. Die Hypothesen ließen sich teilweise bestätigen. Die primäre Dormanz fiel bei allen Genotypen von einem hohen Dormanzniveau (ca. 99 %) etwa 30 Tage nach der Blüte auf ein eher niedriges Niveau (bis zu maximal 15%) während der späten Samenentwicklung zurück. Wahrscheinlich reguliert das Embryowachstum die Dynamik der primären Dormanz, zumindest zu Beginn der Samenentwicklung. Je nach Sorte und Jahr stieg die potenzielle sekundäre Dormanz anfänglich von 0 % etwa 70 Tage nach der Blüte auf das höchste Niveau und sank danach mit fortschreitender Samenentwicklung leicht ab. Die Korrelation zwischen primärer Dormanz und potenzieller sekundärer Dormanz war zu Beginn der Samenentwicklung hoch, aber zur späten Samenreife niedrig. Versuch 2: (i) CL-Rapssorten weisen Variabilität im Potenzial für sekundäre Dormanz auf (gering/mittel/hoch dormant). (ii) F1-(Saatgut) und F2-(Erntegut) von CL-Raps (Hybridraps) zeigen ähnliches Niveau in der sekundären Dormanz, obwohl Umwelteffekte auftreten können. (iii) Es bestehen Umwelteffekte während der Samenentwicklung und -abreife, die die Dormanzausprägung beeinflussen. Diese Hypothesen ließen sich bestätigen. Die CL-Rapsgenotypen wiesen in ihrer potenziellen sekundären Dormanz in der F1 Generation eine Schwankungsbreite zwischen 0 und 95,7 % und in den dazugehörigen Nachkommen (F2) zwischen 3,5 und 77,9 % auf. Neun der 15 CL-Genotypen wurden als gering dormant (< 30 % Dormanz) eingestuft. Eine hohe Korrelation (r = 0,96) zwischen der F1 und F2 Generation deutet auf eine hohe Heritabilität des Merkmals "Dormanz" hin. Die Menge der Niederschläge während der Samenentwicklung scheint zur Ausprägung späterer Dormanz beizutragen. Eine höhere Niederschlagsmenge in den letzten Wochen vor der Ernte führte zu einem höheren Dormanzpotenzial. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Selektion oder Züchtung auf geringe Dormanz bei CL-Raps möglich ist. Das Dormanzpotenzial von Sorten kann nur direkt miteinander verglichen werden, wenn die Sorten am selben Standort abgereift sind. Versuch 3. (i) Der Bodensamenvorrat von Raps wird durch die Bodenbearbeitung nach der Ernte, insbesondere durch den Zeitpunkt der ersten Bearbeitung, und durch die Neigung zu Dormanz der verwendeten Sorte bestimmt; (ii) Der Auflauf von Durchwuchsraps aus der Bodensamenbank ist von der Art der Bearbeitung (wendend/nicht-wendend) bzw. der Bearbeitungstiefe abhängig;(iii) Es kommt zu einer genetischen Aufspaltung der Herbizidtoleranz bei CL-Durchwuchsraps. Die Hypothesen ließen sich teilweise bestätigen. Die Bodenbearbeitungsverfahren wendend vs. nicht-wendend hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Größe der Samenbank, doch die frühzeitige Einarbeitung der Samen mittels flacher Stoppelbearbeitung erhöhte den Bodensamenvorrat sichtbar (179 vs. 56 Samen m-2 bei den Varianten mit Stoppelbearbeitung vs. ohne Stoppelbearbeitung). Die Anzahl an Durchwuchsraps in der Nachfrucht war signifikant. abhängig von der Bodenbearbeitung. Aufgrund der flachen Verschüttung der Samen führte nicht-wendende Bodenbearbeitung zu 30 mal mehr Durchwuchsrapspflanzen in der Nachfrucht Winterweizen als wendende Bodenbearbeitung. Die hoch-dormante Rapssorte führte zu einem signifikant größeren Bodensamenvorrat als die mittel-dormante (147 vs. 58 Samen m-2), jedoch zu weniger Durchwuchsraps (0,9 vs. 1,9 Pflanzen m-2) in der ersten Nachfrucht. Möglicherweise wird die Dormanz bei Samen von hoch dormanten Sorten im Bodensamenvorrat langsamer gebrochen als bei geringer dormanten Sorten. Die Prüfung der genetischen Aufspaltung für Imidazolinontoleranz (Gene PM1 und PM2) im CL-Durchwuchsraps in der ersten Nachfrucht Winterweizen ergab insgesamt 10 unterschiedliche Allelkombinationen. Dabei waren rund 90% der Pflanzen homozygot in PM1 und PM2, d.h. sie besaßen eine genetische Disposition für eine hohe Toleranz gegen Imidazolinone. Insgesamt wurde eine hohe Variationsbreite bei der potenziellen sekundären Dormanz von CL-Raps festgestellt, ähnlich den bereits bekannten Ergebnissen bei nicht-CL-Raps. Der Beitrag der sortenspezifischen Dormanzneigung bei Raps zum Aufbau der Bodensamenbank wurde bestätigt. Während der Samenentwicklung können die mütterlichen Umweltbedingungen die Dormanzausprägung in einem gewissen Maß beeinflussen. Bodenbearbeitungsverfahren, insbesondere der Zeitpunkt der Bearbeitung, beeinflussen die Bodensamenbank und das Auftreten von Durchwuchsraps in den Folgekulturen. Ein neuer Aspekt ist, dass neben der bisher untersuchten Kontrolle von dormanzinduzierenden Faktoren zukünftig auch Faktoren berücksichtigt werden müssen, die vorhandene Dormanz brechen. Realistische Strategien zur Kontrolle von Auflaufraps sollten (1) die Verwendung von gering dormanten Sorten mit geringem Potenzial zur Bildung einer Samenbank sowie mit schneller Brechung der Dormanz umfassen, und (2) eine Kombination verschiedener Bodenbearbeitungsverfahren in den Jahren nach dem Rapsanbau beinhalten. Ein Beispiel wäre eine verzögerte, tiefe, wendende Bodenbearbeitung im ersten Jahr mit anschließender flacher, nicht-wendender Bodenbearbeitung in Folgejahren. Mit dem Hintergrund eines vertieften Verständnisses von Dormanz, der Entwicklung einer Bodensamenbank sowie der Brechung von Dormanz kann das Auftreten von CL-Durchwuchsraps in Nachfrüchten durch die in dieser Arbeit vorgestellten, methodisch breit angelegten und praktischen Ansätze reduziert oder sogar vermieden werden.