Resistencia a herbicidas en arroz de California · 2013-08-29 · Resistencia a herbicidas en arroz...
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Resistencia a herbicidas en arroz de California Albert Fischer University of California - Davis
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Resistencia a herbicidas en arroz de California
Albert Fischer University of California -
Davis
Arroz de Mono-Cultivo en California
Siembra en agua Es la técnica predominante.
Existen tres variantes dependiendo del método de riego
Presenter
Presentation Notes
BRAZIL: Your talk about “Biology and management of herbicide resistance weeds in flooded rice" will be on August/14/2013, at 8 h and 10 min A.M., 40 minutes presentation and 30 minutes for questions. URUGUAY: 45 minutes Estimado Albert, Para mi también fue un gusto! Hoy me entere a través de Gonzalo que estamos bloqueados con CA. Quue pretendemos de Uds. en la Sección? Primero, reforzar los conceptos básicos sobre como se origina la resistencia y si se puede usar las dos especies que hoy más nos interesan en la zona, Conyza y Echinochloas, como modelos para ilustrar conceptos de interés y como juegan los distintos factores para favorecer y retrasar el surgimiento de biotipos resistentes. Además, comentar el rol que tiene la producción de semillas de los escapes, como manejarse para reducirlos y cómo funciona la protección de un herbicida por otro en la mezclas de herbicidas. Segundo, si bien hoy no sabemos si es un tema real para nosotros, cómo encarar el manejo de Conyza cuando existe resistencia al glifosato en el caso de la soja (no había casi nadie del este en la jornada de INIA LE) y como manejar la resistencia de las echinochloas con las particularidades de CA como manera mostrar lo complejo que se puede poner la situación. En este proceso de cambio del formato de la jornada de arroz, la participación de Uds. quedó vinculada a la Sección sobre el manejo de la resistencia de las malezas a los herbicidas que tiene asignada un tiempo de exposición de 90 min y 5 min más para las preguntas (que capaz que lo llevamos a 15 min). La misma será coordinada por Claudia, yo presentaré en 12 min la situación en el Este en el arroz (biotipos de capín resistentes y arroz rojo) y la soja (decir lo que no lo sabemos) seguido por Martín con unos 35 min y cerrar contigo con 45 min. Esa es una guía para ir planificando. Esto va copiado a Claudia así queda involucrada y ya puede ir haciendo su trabajo de coordinación y moderadora de la Sección. Seguimos en contacto, Néstor P.D. Espero que esto camine y disculpa la demopra que fue involuntaria.
Métodos de riego para siembra en agua Drenaje temprano
inundación germinación inicio macollos amacollamiento iniciación de panícula floración
Pin-point (drenaje para POST temprano)
inundación germinación inicio macollos amacollamiento iniciación de panícula floración
Inundación contínua
inundación germinación inicio macollos amacollamiento iniciación de panícula floración
Presenter
Presentation Notes
URUGUAY Estimado Albert, Para mi también fue un gusto! Hoy me entere a través de Gonzalo que estamos bloqueados con CA. Quue pretendemos de Uds. en la Sección? Primero, reforzar los conceptos básicos sobre como se origina la resistencia y si se puede usar las dos especies que hoy más nos interesan en la zona, Conyza y Echinochloas, como modelos para ilustrar conceptos de interés y como juegan los distintos factores para favorecer y retrasar el surgimiento de biotipos resistentes. Además, comentar el rol que tiene la producción de semillas de los escapes, como manejarse para reducirlos y cómo funciona la protección de un herbicida por otro en la mezclas de herbicidas. Segundo, si bien hoy no sabemos si es un tema real para nosotros, cómo encarar el manejo de Conyza cuando existe resistencia al glifosato en el caso de la soja (no había casi nadie del este en la jornada de INIA LE) y como manejar la resistencia de las echinochloas con las particularidades de CA como manera mostrar lo complejo que se puede poner la situación. En este proceso de cambio del formato de la jornada de arroz, la participación de Uds. quedó vinculada a la Sección sobre el manejo de la resistencia de las malezas a los herbicidas que tiene asignada un tiempo de exposición de 90 min y 5 min más para las preguntas (que capaz que lo llevamos a 15 min). La misma será coordinada por Claudia, yo presentaré en 12 min la situación en el Este en el arroz (biotipos de capín resistentes y arroz rojo) y la soja (decir lo que no lo sabemos) seguido por Martín con unos 35 min y cerrar contigo con 45 min. Esa es una guía para ir planificando. Esto va copiado a Claudia así queda involucrada y ya puede ir haciendo su trabajo de coordinación y moderadora de la Sección. Seguimos en contacto, Néstor P.D. Espero que esto camine y disculpa la demopra que fue involuntaria.
Arroz de Mono-Cultivo en California
Siembra en suelo seco Se usa poco; en áreas con riesgo de deriva
Favorece la emergencia de malezas y complica el manejo de la fertilización
Siembra en agua Es la técnica predominante.
Existen tres variantes dependiendo del método de riego
Presenter
Presentation Notes
BRAZIL: Your talk about “Biology and management of herbicide resistance weeds in flooded rice" will be on August/14/2013, at 8 h and 10 min A.M., 40 minutes presentation and 30 minutes for questions. URUGUAY: 45 minutes Estimado Albert, Para mi también fue un gusto! Hoy me entere a través de Gonzalo que estamos bloqueados con CA. Quue pretendemos de Uds. en la Sección? Primero, reforzar los conceptos básicos sobre como se origina la resistencia y si se puede usar las dos especies que hoy más nos interesan en la zona, Conyza y Echinochloas, como modelos para ilustrar conceptos de interés y como juegan los distintos factores para favorecer y retrasar el surgimiento de biotipos resistentes. Además, comentar el rol que tiene la producción de semillas de los escapes, como manejarse para reducirlos y cómo funciona la protección de un herbicida por otro en la mezclas de herbicidas. Segundo, si bien hoy no sabemos si es un tema real para nosotros, cómo encarar el manejo de Conyza cuando existe resistencia al glifosato en el caso de la soja (no había casi nadie del este en la jornada de INIA LE) y como manejar la resistencia de las echinochloas con las particularidades de CA como manera mostrar lo complejo que se puede poner la situación. En este proceso de cambio del formato de la jornada de arroz, la participación de Uds. quedó vinculada a la Sección sobre el manejo de la resistencia de las malezas a los herbicidas que tiene asignada un tiempo de exposición de 90 min y 5 min más para las preguntas (que capaz que lo llevamos a 15 min). La misma será coordinada por Claudia, yo presentaré en 12 min la situación en el Este en el arroz (biotipos de capín resistentes y arroz rojo) y la soja (decir lo que no lo sabemos) seguido por Martín con unos 35 min y cerrar contigo con 45 min. Esa es una guía para ir planificando. Esto va copiado a Claudia así queda involucrada y ya puede ir haciendo su trabajo de coordinación y moderadora de la Sección. Seguimos en contacto, Néstor P.D. Espero que esto camine y disculpa la demopra que fue involuntaria.
Resistencia: un proceso de Selección
Mutación al azar
Uso Repetido
La resistencia la decide el usuario, no el herbicida
Objetivo: reducir la presión de selección
1. Resistencia por Sitio de Acción a inhibitores-ALS
• Se maneja cambiando a herbicidas con diferente modo de acción
• Alteración de gene codificador de la enzima que queremos inhibir
• Reduce la eficacia de la acción herbicida
Uso repetido de herbicidas con el mismo Mecanismo de Acción
2. Resistencia ajena al Sitio de Acción y a múltiples herbicidas
Nunca se habían usado antes: Selección?
El complejo Echinochloa en arrrozales de California
E. phyllopogon
2. Resistencia ajena al Sitio de Acción y a múltiples herbicidas
Puede dar resistencia a varios herbicidas con diferente modo de acción
Es difícil saber cómo cambiar de herbicida
Por uso repetido de herbicidas inactivables mediante un mismo mecanismo
Que a menudo confiere selectividad
P-450 P-450
Conjugación (con glutatión)
sulfóxido sulfona tiocarbamato
Presenter
Presentation Notes
Detoxification: Monoxidation to sulfoxide & conjugation with glutathion (peptide with a SH group) PBO increases activity due to monoxidase inhibition Molinate in rice: hydrolysis and decarboxylation of alkyl or carbonyl group GO term:protein amino acid carbamoylation Definition:The addition of a carbamoyl group to a protein amino acid. A carbamoyl group is the acyl group -CO-NH2.
penoxsulam Susceptible
Retention time (min)
penoxsulam
Yasuor & Fischer. 2008 70
Resistente penoxsulam
Metabolitos polares
Retention time (min)
Resistencia metabólica a penoxsulam: P450 (Fase I)
Echinochloa phyllopogon
RESISTENTE Fenoxaprop-etilo
Conjugación (con glutatión &
cisteína)
Fenoxaprop ácido
Bakkali Ruiz, DePrado, & Fischer 2007
Resistencia metabólica: Conjugación (Fase II) Echinochloa phyllopogon
Clomazone resistance in E. phyllopogon involves a complex network of biotransformation isozymes (Phase I and Phase II)
Yasuor H. et.al. Plant Physiol. 2010:153:319-326
Pool de 5-Keto SUSCEPTIBLE
RESISTENTE (P450 y conjugación)
Resistencia metabólica a clomazone: Fase I & II por R y S E. phyllopogon (LC-MS/MS)
Collab. V. Tolstikov, Genomic Center
Presenter
Presentation Notes
Proposed clomazone biotransformation routes in clomazone-resistant and -susceptible E. phyllopogon strains inferred from metabolite levels detected in plant tissues using RP-LC-MS/MS. Roman numerals correspond to compounds detected in this study and listed in Table I. Although all metabolites were found in both strains, red and black arrows point at preferential metabolite accumulation by resistant and susceptible plants, respectively; the dotted arrow indicates a transformation (not numbered) not found in our experiments. Compounds VII, VIII, and IX result from hydroxylation in different unidentified positions of the aromatic ring. Structural information is based on analytical standards, the LightSight 2.0 metabolite identification algorithm, and according to ElNaggar et al. (1992), Liu et al. (1996), and TenBrook and Tjeerdema (2006). All transformations, except the hydrolytic conversion of compound II to X, are presumed to be P450 mediated. [See online article for color version of this figure.]
Yasuor & Fischer, 2008
Exclusión en compartimento fuera del sitio de acción?
Echinochloa phyllpogon
Resistencia a paraquat: Transportador (Fase III) ?
Adaptado de: Yuan, J.S., P.T. Tranel, and C.N. Stewart Jr. 2007. Non-target-site herbicide resistance: a family business. TRENDS in Plant Science 12:7-13.
Presenter
Presentation Notes
Molecular assembly of ABC transportersporters: the core unit of which consists of two nucleotide binding domains (NBDs, typically highly conserved) and two transmembrane domains (TMDs, typically variable to accommodate a variety of substrates). Often, in prokaryotes, these domains are encoded separately by genes arranged in an operon (operon is a functioning unit of genomic DNA containing a cluster of genes under the control of a single regulatory signal or promoter.[1][2] The genes are transcribed together into . an mRNA strand and either translated together in the cytoplasm, or undergo trans-splicing to create monocistronic mRNAs that are translated separately). Plant genomes are particularly enriched in halfsize transporters containing one NBD and one TMD [14]. Half-size transporters can then homo- or heterodimerize, the latter of which allows for expansion of substrate specificity in Drosophila Buss and Callaghan Pestic Biochem Physiol 90: (2008): 141-153 Multidrug resistance proteins (MRPs) are closely related to p-glycoproteins, and also confer a multidrug resistance. MRPs also show a different substrate specificity to pgps, and in particular show an affinity for compounds conjugated to glutathione [66]. This allows the transport of organic anions, which are poor substrates for p-gp, and of heavy metals which form complexes with glutathione [67]. Conjugation of xenobiotics to glutathione is a common method of detoxification, but the resulting conjugate is more hydrophilic and requires active transport from the cell [68], so glutathione transporters are a requirement for this system. Antídotos causan sobre-regulación simultánea de P450, GST y transportadores ABC Herbicides are often applied with ‘‘herbicide safeners’’ which protect monocot crops by increasing herbicide detoxification. It is believed that safeners work by inducing the production of glutathione-S-transferases, which then conjugate the herbicide to glutathione [81]. MRP is induced by a number of these safeners: MRP is induced in Triticum tauschii after exposure to cloquintocet- mexyl [82], and is co-induced with glutathione-S-transferases after cloquintocet-mexyl exposure in Triticum aestivum [83]. Benoxacor, fenclorim, and fluxofenim coinduce MRP genes and glutathione-S-transferases in Arabidopsis thaliana [84].
R
S
Yasuor et al. 2011
Resistencia múltiple a quinclorac (auxínico) en E. phyllopogon: SA√
El etileno resulta inhibitorio
R
S
Yasuor et al. 2011
Resistencia múltiple a quinclorac (auxínico) en E. phyllopogon: SA+ No SA√
El etileno resulta inhibitorio
Alarcón-Reverte & Fischer (en conducción)
Resistencias ajenas al Sitio Activo: Pre-adaptación a estrés ambiental?
Nivles de transcripción génica (basal e inducida)
• Resistencia Ajena al Sitio de Acción: Uso intenso de herbicidas selectivos selecciona niveles elevados de funciones preexistentes
• Mecanismo suele involucrar herencia poligénica o cuantitativa
• Dosis bajas de herbicidas: permiten acumulación de genes de resistencia parcial en plantas sobrevivientes
Presenter
Presentation Notes
The more herbicides we use the worse the situation will be Crop biochemical mimicry: AF conjugation can also be involved Echin.: metabolic versatility: more metabolic mechanisms than Lolium MDR proteins?
Manejo integrado
1. No sub-dosificar: Emplear sólo dosis de etiqueta (elimina plantas con genes de resistencia parcial)
2. Alternar herbicida y/o método de control (elimina genes para resistencia de sitio activo)
3. Eliminar sobrevivientes !
1. Aplicación Secuencial en el mismo ciclo
Objetivo: Reducir presión de selección
Manejo integrado
Alternando herbicidas de diferente Mecanismo de Acción
• Clomazone y propanil se protegen de resistencia SA en Echinochloa
spp.!
clomazone propanil
iniciación panícula
inicio macollaje
gerninación macollaje floración
• El manejo de resistencia requiere una actitud de largo plazo!!
Controla Echinochloa spp.
Controla Echinochloa spp.
• Pero apareció resistencia a propanil en ciperáceas!
Buscamos retardar resistencia por Sitio de Acción (SA)
y ciperáceas.
Presenter
Presentation Notes
Sinergizar al propanil? No está involucrada la AAA dasa!
Control ¾ X Stam 1½ X Stam Londax Sandea
finalmente obtuvimos resistencia múltiple en Cyperus difformis !
Foto: J. Eckert
1. Aplicación Secuencial en el mismo ciclo
Objetivo: Reducir presión de selección
Manejo integrado
Alternando herbicidas de diferente Mecanismo de Acción
2. Mezcla de tanque
Perc
ent E
. phy
llopo
gon
cont
rol (
angu
lar t
rans
form
.)
Bispyribac-sodium (g ha-1)
0 5 10 15 20 25 30 35
Con
trol
de
E. p
hyllo
pogo
n (a
ngul
ar)
0
20
40
60
80
100
Thiob. 0 g ha-1, GR50 = 6.80 g ha-1
Thiob. 1120 g ha-1, GR50 = 2.18 g ha-1
Fischer et al. 2004
C
ontr
ol (%
) El valor del sinergismo
+ 1 kg ha-1 tiobencarbo
Presenter
Presentation Notes
One kg/ha thiobencarb alone has no effect: true synergism
Pero si ya existiera resistencia a cyhalofop? … los sobrevivientes tendrían resistencia a ambos herbicidas
iniciación panícula
inicio macollaje
germinación macollaje floración
Control de Echinochloa spp.
penoxsulam +
cyhalofop
propanil
Presenter
Presentation Notes
Soybean (glyphosate-tolerant) Problem weeds - Pigweed species, horseweed/marestail, morningglory, Italian ryegrass Burndown Gramoxone SL 2.0 (40 oz/A) At-planting or pre-emergence Boundary® (1.5 to 2 pt/A) [S-metolachlor] or Prefix® (2 pt/A) [dichlobenil] or Sequence (2.5 pt/A) [S-metolachlor] In-crop Flexstar GT 3.5 (3.5 pt/A) [fomesafen (PPO inh)] or Sequence (2.5 pt/A) [S-metolachlor] or Flexstar® GT 3.5 (3.5 pt/A) [fomesafen (PPO inh)] Late-season Touchdown Total (24 oz/A) [glyphosate] Harvest aid Gramoxone SL 2.0 (16 oz/A) - apply when seeds have reached physiological maturity or or
Resistencia en Echinochloa spp. de California
1. Elevada detoxificación metabólica por P450 y GST
2. Mitigación de radicales oxidantes 3. Exclusión o secuestro (paraquat) 4. Sobre-expresión gene β CAS (detoxifica HCN)
Mecanismos Ajenos al Sitio de Acción:
5. Insensibilidad al estímulo auxínico (quinclorac)
Mecanismos por Sitio de Acción:
Presenter
Presentation Notes
This enzyme will probably have a role in normal metabolism, and diversion from this role may incur significant pleiotropic fitness costs. Subsequent selection at modifier loci may compensate for these costs and contribute to increased fitness of the resistance phenotype (Uyenoyama 1986). In effect, resistance evolution will proceed by selecting the genetic backgrounds in which this one (or a few) gene(s) is (are) preferentially expressed and incurs the lowest fitness cost, and resistance will appear as a continuous polygenic character.
Objetivo: Diversificar
Manejo integrado
Objetivo: Reducir presión de selección Diversificando el manejo
• Evitar semillazón y dispersión
Tsuji et al. 2003
Echinochloa phyllopogon
Se introdujo y dispersó un genotipo
pre-adaptado
Control de dispersión
Semilla certificada libre de E. phyllopogon
Presenter
Presentation Notes
R ECHPH may have spread from a single source Show evidences: first we suspected this given morphological similarity; then we confirmed through AFLP; show Alvaro’s map Dispersion a regional issue Is quarantine of resistant areas valid or futile?
3. Control de escapes (incluso en época tardía: evitar semillazón)
y flujo de genes
E. oryzoides E. crus-galli
PCO relating Echinochloa spp., from California rice fields based on allellic variation in 5 microsatellite loci. Riaz et al. (2008).
E. phyllopogon
? Hibridación propaga la resistencia en E. crus-galli
Hibridación?
Siembra en agua e inundación continua previenen el establecimiento de E. crus-galli !
4. Alternar el Método de Implantación
Manejo integrado
Objetivo: Diversificar
Objetivo: Reducir presión de selección Diversificando el manejo
• Evitar semillazón y dispersión • Beneficios de rotación en sistema no rotado
SIEMBRA EN SECO
Cyperus difformis Sch. mucronatus
Echinochloa spp. Leptochloa fascicularis
Ammania spp. Heteranthera limosa
SIEMBRA AÉREA EN AGUA 2004 - 2008
Fischer et al. 2008
…y permite usar pendimetalina
Echinochloa phyllopogon
Inundación contínua Drenaje parcial Siembra en seco
5. Falsa siembra (usando un herbicida no selectivo)
Manejo integrado
Objetivo: Diversificar
Objetivo: Reducir presión de selección Diversificando el manejo • Evitar semillazón y dispersión • Beneficios de rotación en sistema no rotado
• Manipular el banco de semillas
Mezcla selectiva
floración macollaje Laboreo (o sin él)
Siembra en seco
Germinación
Herbicida A (no selectivo, sin resist.)
Riego o lluvia
floración macollaje Laboreo (o sin él)
Siembra en Agua Sin Labranza
Germinación
Fischer et al. 2006
Fischer et al. 2006
Asegurar emergencia de la mayoría de individuos del perfil de germinación del suelo (5 cm)
1. Manteniendo el suelo permanentemente húmedo…
2. …y acumulando 157 oC/día por encima de 9.3 oC
3. Ahora aplicar el herbicida total
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Plants
/sq ft
Water seedconv.
Drill seed, notill stale
Waterseeded, no
till stale
Waterseeded,spring till
stale
Drill seededconv.
Recruitment 35-40 days (4 years) RedstemDucksaladSmallflower umbrellasedgeRicefield bulrushSprangletopEchinochloa spp.
Glifosato Siembra en
seco
0
20
40
60
80
100
Rice WeedsSiembra en agua, No-Till, Glifosato
Cobertura (%) al cerrarse el cultivo
RedstemDucksaladSmallf. Umbr.Ricefield bulrushSprangletopEchinochloa spp.Rice
Arroz Malezas
Siembra en Agua
1. Acuático
2. Aeróbico
3. Acuático
Resistencia a glifosato en Echinochloa colona
1. Mutaciones puntuales en el gene EPSPs
2. Elevada actividad basal EPSPs 3. Elevación de expresión génica
NO ES SUFICIENTE: HAY QUE SEGUIR DIVERSIFICANDO !
Alarcón-Reverte, García, Fischer, 2013
Presenter
Presentation Notes
Not currently a weed of rice in CA Selected in orchards Problematic in warmer regions Evidence of hybridization with other Echinochloa spp. in the vicinity of rice
Arroz sin rotación usando herbicidas selectivos: TIENE COMPROMETIDA SU SUSTENTABILIDAD
…Cuanto más diversificados sean los mecanismos de control de malezas en un sistema productivo, mayor será la duración de su efectividad individual
Existe una necesidad urgente de diversificar el sistema
Conclusiones La adopción de manejo diversificado es baja: EDUCACIÓN
Rotar cultivos sería útil si se: • emplean otros herbicidas que controlen al biotipo resistente • complica el establecimiento de ese biotipo por un período
mayor al de su longevidad en el suelo
• Rotación debe ser Agronómica y Económicamente viable • y no siempre la misma…
Presenter
Presentation Notes
Our goal is to study agroecological and geographic factors contributing to the evolution, diversification, and persistence of weedy rice in the U.S. and to utilize knowledge of weed biology, evolutionary genetics, chemical tools, and cultural practices to eradicate recent recruitment of weedy rice and minimize weedy rice infestation wherever it is widespread test alternative hypothesis of population structure and gene flow between cultivated and weedy rice; evaluate geographic, edaphic, or crop management variables associated with specific weedy rice genotypes or morphotypes Genetic, morphological, and phenological traits will be analyzed in relation to information from origination site.
