Als sich im Jahr 2021 ein Zuckermaiszüchter meldete, der schwere Schäden durch das Herbizid Tolpyralat meldete, hoffte Marty Williams, dass es sich um einen Zufall handelte, der auf eine einzelne Inzuchtlinie zurückzuführen war.
Aber zwei Jahre später, nach methodischen Feld-, Gewächshaus- und Gentests, sein neues Schädlingsbekämpfungswissenschaft Studie bestätigt nicht nur die Empfindlichkeit gegenüber Tolpyralat bei 49 Zuckermais- und Feldmaislinien, sondern deckt auch eine neue genetische Anfälligkeit auf, die Mais allgemeiner betreffen könnte.
Tolpyralat ist ein relativ neues HPPD-hemmendes Herbizid, das für alle Maisarten zugelassen ist. Typischerweise entgiftet Mais HPPD-Inhibitoren, bevor sie durch die Expression des Nsf1-Gens Schäden verursachen können. Maislinien mit mutierten NSF1-Allelen können gegenüber HPPD-Inhibitoren empfindlich sein, aber das war bei Tolpyralat in den von Williams getesteten Linien nicht der Fall. Stattdessen zeigte seine Studie, dass die Tolypyralatempfindlichkeit mit einem völlig anderen Gen zusammenhängt, was erklärt, warum die Empfindlichkeit während des Züchtungsprozesses weder erwartet noch festgestellt wurde.
„Kreuzempfindlichkeit gegenüber mehreren Post-emergenz-Herbiziden, die alle mit mutierten NSF1-Allelen in Verbindung stehen, ist seit Jahren bekannt. Züchter testen normalerweise mit einem Produkt wie Nicosulfuron, einem ALS-Hemmer, weil es alle Inzuchtarten identifiziert (d. h. abtötet), die nicht wirksam sind. „Es ist tolerant gegenüber einer Vielzahl von Herbiziden, einschließlich der meisten HPPD-Inhibitoren“, sagte Williams, Ökologe beim Agricultural Research Service des USDA und außerordentlicher Professor in der Abteilung für Nutzpflanzenwissenschaften, die zum College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) gehört der University of Illinois Urbana-Champaign.
Die ursprüngliche Zuckermaislinie aus dem Jahr 2021 wurde mit Nicosulfuron untersucht. Es zeigte sich keine Verletzung und deutete darauf hin, dass das Nsf1-Gen seine Aufgabe erfüllte. Es war vernünftig, mit Tolpyralat das gleiche Ergebnis zu erwarten, da niemand über größere Ernteschäden durch das neue Herbizid berichtet hatte. Als die Tolpyralat-Verletzung zum Vorschein kam, war der Züchter ratlos.
Der ungewöhnliche Fall veranlasste Williams‘ Team, rund um die Farmen der U. of I. mit der Suche nach gebleichtem weißem Mais zu beginnen – dem verräterischen Zeichen einer Verletzung durch HPPD-Hemmer.
Sie mussten nicht lange jagen.
Hier und da befanden sich zwischen dichten grünen Maisreihen verkrüppelte weiße Nachzügler. Das Team kontaktierte die Forscher, die auf den Farmen Versuche durchführten, um herauszufinden, was gesprüht wurde. Jedes Mal Tolpyralat.
Angesichts eines Phänomens, das immer weniger wie ein Zufall aussah, begann Williams‘ Team mit Feld- und Gewächshausversuchen, um herauszufinden, wie weit verbreitet die Tolpyralatempfindlichkeit war. Da sie einfachen Zugang zu einem Panel zur Vielfalt von Zuckermais hatten, konzentrierten sie sich hauptsächlich auf diese Gruppe. Sie testeten aber auch eine kleine Auswahl an Feldmais-Genotypen.
Bei dem bescheidenen Screening dokumentierte das Team 49 Zuckermais- (43) und Feldmais-Inzuchtpflanzen (6), die mittelschwere bis schwere Schäden durch Tolpyralat erlitten hatten. Wichtig ist, dass die Quelle des zuckerhaltigen Enhancer-Gens in Zuckermais, einer Elternlinie vieler Zuckermais-Hybriden, zu den empfindlichsten Genotypen gehörte, was darauf hindeutet, dass die Empfindlichkeit sogar noch weiter verbreitet sein könnte.
Interessanterweise war die Schädigung durch die Zugabe von Atrazin und Herbizid-Adjuvantien, die üblicherweise zusammen mit HPPD-Inhibitoren angewendet wurden, weitaus schlimmer.
„Als wir dem empfindlichen Zuckermais reinen Tolpyralat verabreichten, sah die Ernte gut aus“, sagte Williams. „Aber als wir die auf der Herbizidkennzeichnung empfohlenen Hilfsstoffe – Pflanzenöl oder methyliertes Samenöl – hinzufügten, bekamen wir eine starke Bleichreaktion. Und als wir auch Atrazin hinzufügten, das bei HPPD-Hemmern häufig vorkommt, kam es zu einem schnellen Pflanzensterben.“
Williams stellte klar, dass es nicht möglich sei, die Adjuvantien einfach aus dem Tank zu entfernen. Sie verbessern die Herbizidaufnahme durch Unkräuter und sind für eine erfolgreiche Unkrautbekämpfung unerlässlich.
„Tolpyralat hat agronomische Vorteile, aber es wird offensichtlich nur begrenzten Nutzen haben, wenn es der Ernte schadet“, sagte Williams.
Da immer mehr Beweise dafür vorliegen, dass nsf1 nicht für die Tolpyralatempfindlichkeit verantwortlich ist, kartierte das Team anschließend das Genom, um den Schuldigen zu finden.
„Anhand der ursprünglichen empfindlichen Zuckermaislinie zur Kartierung des Merkmals haben wir es auf die Region auf Chromosom 5 in der Nähe von Nsf1 eingegrenzt. Aber es ist nicht Nsf1, und in der von uns identifizierten Genomregion gibt es nichts Offensichtliches, das die Tolpyralatempfindlichkeit leicht erklären könnte. Also, während.“ „Wir haben das Merkmal kartiert, der physiologische Mechanismus bleibt jedoch unklar.“
Williams weist darauf hin, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um der Tolpyralatempfindlichkeit auf den Grund zu gehen, sowohl im Hinblick auf den physiologischen Mechanismus als auch auf die Frage, wie weit verbreitet das Merkmal bei allen Maisarten sein könnte. Er sagte, es bestehe das Potenzial, molekulare Marker zu entwickeln, die empfindliche Maislinien identifizieren können, was bei der Verbesserung der Toleranz gegenüber Tolpyralat nützlich wäre.
Zunächst möchte er das Bewusstsein bei Maiszüchtern, Landwirten und Chemieunternehmen schärfen, die an der nächsten Generation von HPPD-Inhibitoren arbeiten, insbesondere da dies der erste dokumentierte Vorfall einer genetischen Anfälligkeit für ein Maisherbizid seit über drei Jahrzehnten ist.
„Was wir aus dieser Forschung gelernt haben, könnte über Tolpyralat selbst hinaus hilfreich sein, da mehrere neue HPPD-Inhibitoren entwickelt werden, die von derselben chemischen Struktur abgeleitet sind“, sagte Williams. „Wenn wir in Zukunft weitere Probleme vermeiden können, dann tun wir es jetzt.“
Mehr Informationen:
Martin M. Williams et al., Erster Bericht über schwere Tolpyralatempfindlichkeit bei Mais (Zea mays) entdeckt einen neuen genetischen Faktor, der eine Reaktion der Nutzpflanze auf ein Herbizid hervorruft, Schädlingsbekämpfungswissenschaft (2023). DOI: 10.1002/ps.7896