Resistencia cruzada y múltiple de malas hierbas a herbicidas

Abstract

La agricultura es una de las principales potencias económicas, produciendo desarrollo y riqueza a nivel mundial. Este sector está afectado por diversos factores, tanto bióticos como abióticos, los cuales se traducen en elevadas pérdidas de rendimiento y costes en los cultivos. Los principales factores bióticos que afectan a la agricultura son las enfermedades, plagas y malas hierbas. Las malas hierbas son plantas que crecen de forma predominante en situaciones alteradas por el hombre, y que no resultan deseables para él en un lugar y momento determinado. Los herbicidas representan en la actualidad un papel imprescindible en el control de malas hierbas, siendo la herramienta más efectiva que se haya desarrollado, controlando alrededor del 99% de malas hierbas. Desafortunadamente, la era dorada de los herbicidas como única herramienta de control se ha visto truncada a causa de la aparición de malas hierbas resistentes a herbicidas por el uso abusivo de estos. El aumento exponencial de malas hierbas con resistencia se produce en una situación en la que durante los últimos 25 años no se han desarrollado nuevos modos de acción. La resistencia a herbicidas es el resultado de la adaptación evolutiva de las malas hierbas a las sucesivas aplicaciones herbicidas, y es sin duda, una de las principales preocupaciones en la agricultura moderna. Desafortunadamente, las malas hierbas pueden desarrollar no solo resistencia a un herbicida, sino que pueden desarrollar resistencia cruzada y/o múltiple. La comunidad centrada en la malherbologia presenta la preocupación de que los agricultores podrían enfrentarse a la perdida de los herbicidas como herramientas eficaces y económicas en las que se basa la agricultura productiva moderna. Este preocupante escenario comienza con la dependencia exclusiva del uso de un solo herbicida, ya sea por ejemplo glifosato en cultivos perennes, o diclofop en cultivos anuales. Ante esta situación, los agricultores cambian de herbicida, pero en muchas ocasiones no cambian de modo de acción, por lo que el problema no es solventado. En otras ocasiones, se cambia de modo de acción pero no es alternado con otros herbicidas en las sucesivas aplicaciones, apareciendo nuevamente la resistencia. Debido a la repercusión que ha ocasionado la resistencia de malas hierbas a herbicidas, así como la aparición de resistencia cruzada y/o múltiple, en este trabajo se han determinado los mecanismos de resistencia involucrados en poblaciones de Lolium rigidum resistente a glifosato en Francia [Capítulo II] y España, así como ofrecer alternativas químicas para obtener un control optimo, y poder controlar la resistencia [Capítulo III]. Además, se caracterizó la tolerancia natural de Avena sterilis a glifosato en el sur de España [Capítulo IV], sirviendo de ejemplo de que algunas malas hierbas no son controladas por glifosato, no por haber desarrollado resistencia sino por ser tolerantes. En el capítulo V se determinó la múltiple resistencia a herbicidas no selectivos en especies del genero Lolium spp. en la Península Ibérica, a causa de no alternar diferentes modos de acción en las sucesivas aplicaciones. Del mismo modo, en el Capítulo VI se caracterizó la resistencia cruzada a herbicidas pertenecientes a los inhibidores de la ACCasa (acetil- CoA carboxilasa) en Cynosurus echinatus procedente de Chile, a causa de utilizar herbicidas de diferentes familias químicas, pero todas ellas pertenecientes al mismo modo de acción. Se determinó el primer caso de resistencia francés en L. rigidum en el que se conocen los mecanismos implicados. Los resultados mostraron que la resistencia a glifosato en la población resistente francesa de L. rigidum se debe en parte a la reducción de absorción y translocación de glifosato en relación con la población susceptible, así como a una mutación en el gen que codifica la EPSPS. Por el contrario, la resistencia a glifosato en la población resistente española de L. rigidum se debe en parte a la reducción de absorción y translocación de glifosato, y no se encontró ninguna mutación en el gen que codifica la EPSPS. Los ensayos de campo determinaron que es posible obtener un control eficaz de L. rigidum utilizando diferentes modos de acción, así como la reducción del banco de semillas resistentes a glifosato. Las prospecciones realizadas mostró resultados homogéneos entre todas las accesiones de A. sterilis recogidas y, por lo tanto, todas ellas tienen el mismo nivel de tolerancia innata al glifosato, siendo los mecanismos fuera del sitio de acción los implicados en la tolerancia innata a glifosato en A. sterilis. Esto es probablemente debido en parte a una menor absorción / translocación del herbicida y metabolismo de glifosato. Estudios moleculares confirmaron que tres especies de malas hierbas de Lolium resistentes a glifosato (L. rigidum, L. perenne, y L. multiflorum) recogidas de cultivos perennes en la Península Ibérica también han desarrollado resistencia múltiple a los herbicidas glufosinato y oxifluorfen. Este estudio identificó el primer caso de resistencia a oxifluorfen en una gramínea. Los ensayos in vitro y de dosisrespuesta de ACCasa determinaron la resistencia cruzada a los herbicidas de las familias químicas APP, CHD y PPZ en C. echinatus. Los estudios de secuenciación de ADN confirmaron que la resistencia cruzada de C. echinatus a los inhibidores de ACCasa ha sido conferida por las mutaciones puntuales Ile-2041-Asn y Cys-2088-Arg.

Agriculture is one of the main economic powers, producing development and wealth worldwide. This sector is affected by several factors, both biotic and abiotic, which have resulted in high yield and crop cost losses. The main biotic factors affecting agriculture are diseases, pests, and weeds. Weeds are plants that predominantly grow in situations altered by man, and are not desirable for at any time and given place. To date, herbicides play an essential role in weed control, being the most effective tool developed, controlling about 99% of weeds. Unfortunately, the golden era of herbicides as the only tool has been cut short by the herbicide-resistant weeds due to abusive use. The exponential increase of resistant weeds occurs in a situation where no new action modes have been developed during the last 25 years. Herbicide resistance is the result of the evolutionary adaption of weeds to successive herbicide applications, and it is undoubtedly one of the main concerns in modern agriculture. Unfortunately, weeds can develop not only resistance to one herbicide, but also they can develop cross- and multiple-resistance. The weed research community is concerned that farmers may be faced with the herbicide loss as an effective and economic tool on which modern productive agriculture is based. This worrying scenario begins with the exclusive use of a single herbicide, whether for example glyphosate in perennial crops, or diclofop in annual crops. In this situation, farmers change to another herbicide, but in many cases, they do not change the action mode, so the problem is not solved. At other times, they change the action mode, but it is not alternated with other action modes in the successive applications, exhibiting resistance again. Due to the herbicide-resistant weed impact, as well as the occurrence of cross- and multiple-resistance, this work has determined the mechanisms of resistance involved in glyphosate-resistant populations of Lolium rigidum from France [Chapter II], and Spain, as well as to offer chemical alternatives to control the resistance [Chapter III]. Also, the natural tolerance of Avena sterilis to glyphosate in southern Spain has been characterized [Chapter IV], offering as an example that some weeds are not controlled by glyphosate, not because of developed resistance, but because they are tolerant. In Chapter V, the multiple-resistance to non-selective herbicides in species of Lolium spp. genus from the Iberian Peninsula, due to not alternating different action modes in the successive applications has been reported. In the same way, cross-resistance to herbicides belonging to the ACCase (acetyl-CoA carboxylase)-inhibitors in Cynosurus echinatus from Chile has been characterized in Chapter VI, because of the use of herbicides of different chemical families, but all of them belonging to the same action mode. The first case of French resistance of L. rigidum has been determined in which the mechanisms involved are known. The results showed that glyphosate resistance in the French resistant population of L. rigidum was due in part to the reduction of glyphosate absorption and translocation in relation to the susceptible one, as well as to a mutation in the gene encoding EPSPS. In contrast, glyphosate resistance in the Spanish population of L. rigidum was due to reduced absorption and translocation, and no mutation was found in the gene encoding EPSPS. Field trials determined that it is possible to obtain an effective control of L. rigidum using different action modes, as well as the reduction of the glyphosate resistant seed bank. The surveys carried out showed homogenous results among all of the A. sterilis accessions collected; therefore, all of them have the same level of innate tolerance of glyphosate, being the non-target-site resistance the mechanism involved. This was due in part to a lower absorption and translocation, and glyphosate metabolism. Molecular studies confirmed that three species of glyphosate-resistant Lolium (L. rigidum, L. multiflorum, and L. perenne) collected from perennial crops have also developed multiple-resistance to glufosinate and oxyfluorfen. This study reported the first case of resistance to oxyfluorfen in grass. The in vivo and dose-response assays of ACCase determined the cross-resistance to the herbicides of the APP, CHD, and PPZ chemical families in C. echinatus. DNA sequencing studies confirmed that crossresistance to ACCase-inhibitors in C. echinatus has been conferred by Ile-2041-Asn and Cys-2088-Arg point mutations.