Ukrudtsris er blevet herbicidresistent gennem hurtig udvikling

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Communications Biology , rapporterer forskere fra Washington University i St. Louis og University of Arkansas, at en afgrødeskadedyr kaldet weedy rice er blevet meget herbicidresistent i regioner, hvor herbicidresistente ris er plantet. Undersøgelsen fremhæver udfordringer, som amerikanske risbønder står over for, når de kæmper mod en ukrudtsagtig fjende, der er tæt knyttet til en eftertragtet afgrødeplante.

Den genetiske undersøgelse blev udført med prøver indsamlet i rismarker i Arkansas, hvor næsten 50 % af landets ris dyrkes.

Ukrudtsris er en nært beslægtet fætter til afgrøderis. Den konkurrerer aggressivt med dyrkede ris i marken, hvilket fører til tab af udbytte og reduktioner i høstkvaliteten, der kompromitterer markedsværdien. Ukrudtsrisangreb forårsager anslået 45 millioner dollars i økonomiske tab i USA hvert år og hundredvis af millioner af dollars på verdensplan.

Biologer brugte hel-genomsekvenser af 48 nutidige ukrudtsplanter for at vise, hvordan herbicidresistens udviklede sig ved genflow fra afgrøderis. Næsten alle andre tilfælde af herbicidresistens i ukrudt i landbruget skyldes selektion af tolerante genotyper i ukrudtsarten. Blot 20 år efter, at herbicid-resistente ris først blev adopteret i det sydlige USA, har størstedelen af ​​marker med en historie med herbicid-resistente risdyrkning ukrudtsplanter, der også er herbicid-resistente.

"Gennem dens næsten 200-årige historie i USA havde ukrudtsris en meget lav grad af udkrydsning med dyrkede ris," sagde Marshall Wedger, en postdoktoral forskningsassistent i biologi i Arts &Sciences ved Washington University og førsteforfatter af undersøgelsen . "Vi fandt ud af, at amerikansk ukrudtsris har holdt sig gennem herbicidtryk med overlevelsen af ​​de få planter, der krydser hinanden, og som følgelig erhverver de herbicidresistensegenskaber."

"Teknologiske ændringer i amerikansk risavl siden 2000'erne har ført til en fuldstændig genetisk revolution i sammensætningen af ​​de ukrudtsagtige ris, der inficerer amerikanske marker," siger Kenneth Olsen, professor i biologi ved Washington University og seniorforfatter på undersøgelsen.

"I de sidste 20 år er ukrudtsris gået fra at være meget genetisk adskilt fra amerikanske afgrødesorter til i dag for det meste at være afledt af afgrøde-ukrudtshybridisering," sagde Olsen. "Ukrudtet fanger visse egenskaber fra afgrøden, som er gavnlige for dem, herunder herbicidresistens."

Ukrudt griber deres øjeblik

Ukrudtsris er en plage for dyrket risproduktion rundt om i verden. Men indtil begyndelsen af ​​2000'erne var ukrudtsris i amerikanske marker sjældent blandet med de slags ris, der almindeligvis blev dyrket i dette land.

Afgrøderis og ukrudtsris er de samme arter, så de er i stand til at krydse eller hybridisere. Deres hybridiseringshastighed er normalt lav – generelt mindre end 1 % – fordi ris er selvbestøvede.

Men der skete noget, der ændrede den århundreder gamle dynamik mellem disse to nært beslægtede planter. Fra begyndelsen af ​​2000'erne blev to nye slags ris afgrøder vedtaget i amerikanske marker. Den ene var en ny hybridris, der tilbød væsentligt forbedret udbytte sammenlignet med traditionelle indavlede (selvbestøvende) rissorter. Den anden var en ny slags, der var blevet tilpasset til at være tolerant over for en bestemt slags herbicid. Disse såkaldte Clearfield-kultivarer gjorde det muligt for landmænd at plante ris og derefter anvende kemikalier på deres marker for at dræbe ukrudtsris og andet ukrudt i landbruget uden at skade afgrøden.

Så tidligt som i 2004, kun to år efter, at den nye ris blev vedtaget lokalt, rapporterede Arkansas-bønder allerede nogle tilfælde af herbicidresistens i ukrudtsris. Sådanne resistente planter var sandsynligvis udkrydsninger med herbicid-resistente ris.

"Situationen er noget analog med menneskers sundhed og fremkomsten af ​​antibiotika-resistente bakterielle patogener. Udbredt brug af antibiotika ender kraftigt med at selektere for den hurtige udvikling af de lægemiddelresistente stammer," sagde Olsen. "Med ukrudtsris blev herbicidresistent ukrudt opdaget kun et par år efter, at ukrudtsresistente ris først blev kommercialiseret."

Hvordan skete det? For at genflow fra en afgrøde til en ukrudtsagtig slægtning kan forekomme, skal de to vokse i tilstrækkelig fysisk nærhed til pollenoverførsel.

"De herbicid-resistente ukrudtsplanter er produkter af krydsning med herbicid-tolerante afgrøder," sagde Nilda Roma Burgos, professor i ukrudtsfysiologi ved University of Arkansas og medforfatter af undersøgelsen. "Overkrydsning sker, når ukrudtsrige ris ikke kontrolleres 100 % af herbicidet, og de resterende ukrudtsplanter blomstrer samtidig med den herbicidtolerante risafgrøde."

Ris og ukrudtsris vokser bestemt på de samme marker. Det var imidlertid hybridrisens irriterende vane med at producere frivillige – det vil sige succesfuldt at udvikle og droppe frø, der overvintrer og så dukker op som nye planter i de efterfølgende år – der åbnede en dør for ukrudtsrige ris.

De frivillige afgrøder voksede op med forskellige egenskaber, herunder ændringer i blomstringstidspunktet, der gjorde det meget mere sandsynligt, at de ville bytte pollen med ukrudtsris.

"Som en de-domesticeret ukrudtsslægtning har ukrudtsris altid været i stand til at krydse med dyrkede ris. Baseret på vores resultater er denne evne til at krydse det, der førte til det meste af den herbicidresistens, som vi ser i dag," sagde Wedger.

Et unikt udfordrende år for avlere

Resultaterne fra denne nye undersøgelse bliver rapporteret i løbet af et unikt udfordrende år for Arkansas risbønder. Problemer med den globale forsyningskæde samt stigninger i omkostningerne til vigtige afgrøder, såsom gødning, har gjort det vanskeligere og dyrere at dyrke ris.

Samtidig har de globale klimaændringer lokale effekter på tidspunktet for, hvornår ris kan plantes. I år måtte landmændene proppe plantning, der normalt foregår over en periode på fire uger, ind i et meget forkortet vindue. Også i år var nattetemperaturerne i det nordøstlige Arkansas stædigt høje i månederne juli og august, med mulige negative effekter på risudbyttet. Kun tiden vil vise, hvad 2022-høsten, der begynder denne måned, vil bringe.

Én ting er dog sikker:Den hurtige tilpasning af ukrudtsris til herbicidanvendelse tjener som endnu et eksempel på farerne ved at stole på enkelte metoder til bekæmpelse af skadedyr i landbruget, sagde undersøgelsesforfattere.

"Hvor hurtigt en resistent ukrudtsrispopulation opbygges til et punkt, hvor herbicidet ikke længere er nyttigt, afhænger af, hvordan producenten administrerer den herbicidtolerante risteknologi," sagde Roma Burgos. "Der er retningslinjer for bedste ledelsespraksis, som hjælper avlere med at undgå resistensudvikling i lang tid, hvis de implementeres."

"Ligesom i tilfældet med antibiotikaresistens, vil stigningen i resistens over for dette særlige herbicid blive mødt med en ny teknologi, der er afhængig af et nyt herbicid," sagde Wedger. "Nye herbicid-resistente sorter er allerede under udvikling, så jeg forventer, at denne proces gentager sig." + Udforsk yderligere

Ukrudtsris er en utilsigtet arv fra den grønne revolution