Studie zeigt, dass ein einziges Gen die Resistenz von Maisgürtelunkraut gegen im Boden ausgebrachte Herbizide kontrolliert

Laut Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign ist Wasserhanf, das aggressive Unkraut, das die Ernteproduktion im Maisgürtel bedroht, erneut ein Problem. Bekanntermaßen hat das Unkraut nicht nur gegen eine oder zwei, sondern gegen sieben Wirkungsorte von Herbiziden eine Resistenz entwickelt, wodurch die chemischen Mittel, die Landwirte zur Verteidigung ihres Lebensunterhalts einsetzen können, nahezu erschöpft sind.

In einem neuen Unkrautwissenschaft Studie, Forscher der U. of I. zeigen, dass ein einzelnes Hauptgen für die Resistenz von Wasserhanf gegen S-Metolachlor (Wirkstoff in Dual Magnum und Dual II Magnum) verantwortlich ist, einem wichtigen im Boden ausgebrachten Restprodukt der Klasse der VLCFA-hemmenden Herbizide. Frühere Untersuchungen der Gruppe zeigten, dass Wasserhanf die Chemikalie mit P450 entgiftet, Enzymen, die toxischen Verbindungen Elektronen entziehen und sie so in Pflanzenzellen weniger reaktiv machen.

„Die offene Frage war, welche P450? Pflanzen haben Hunderte davon, und sie arbeiten oft zusammen, um Giftstoffe zu deaktivieren. Als wir also nur ein einziges Hauptgen fanden, das für die S-Metolachlor-Resistenz im Wasserhanf verantwortlich ist, waren wir sehr überrascht“, heißt es in der Studie Co-Autor Dean Riechers, Professor am Department of Crop Sciences, Teil des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) an der U. of I. „Waterhemp hat uns wieder einmal in den Wahnsinn getrieben.“

Riechers‘ Gruppe ist routinemäßig auf der Suche nach Genen, die für die Herbizid-ausweichenden Superkräfte des Wasserhanfs verantwortlich sind. Vor einem Jahrzehnt hat seine Gruppe Spuren hinterlassen Resistenz von Wasserhanf gegen Atrazin– ein Herbizid einer anderen Klasse als S-Metolachlor – auf ein einzelnes GST-Gen. Er sagt jedoch, dass es selten sei, eine einfache genetische Kontrolle für einen Resistenzmechanismus außerhalb der Zielstelle bei Unkräutern zu finden.

Die Ermittlung der genetischen Basis der Resistenz erfordert viel harte Arbeit, Präzision und Zeit. In diesem Fall wählte Erstautor Dylan Kerr, Riechers‘ damaliger Masterstudent, resistente Pflanzen aus und kreuzte sie drei Generationen lang im Gewächshaus iterativ mit anderen resistenten Pflanzen. Nachdem er den genetischen Bestand gereinigt hatte, paarte er dann resistente Eltern mit empfindlichen und suchte nach genetischen Unterschieden bei ihren Nachkommen.

„Die Untersuchung der Resistenz gegen im Boden angewendete Herbizide ist sehr schwierig, denn wenn das Herbizid seine Wirkung entfaltet, werden empfindliche Pflanzen gar nicht erst existieren“, sagte Riechers. „Dylan hat seine Pflicht übertroffen. Er war im Gewächshaus bei der Herstellung dieser Kreuzungen sehr fleißig und beharrlich, sodass die Ergebnisse sauber und leicht zu interpretieren waren.“

Was bedeutet es, dass nur ein Hauptgen die S-Metolachlor-Resistenz in Wasserhanf kontrolliert?

„Leider sind das keine ermutigenden Neuigkeiten für die Landwirte“, sagte Riechers. „Immer wenn die Resistenz durch ein einzelnes Gen gesteuert wird und ein dominantes Merkmal ist, ist das Risiko einer Ausbreitung höher.“

Das Worst-Case-Szenario ist noch nicht eingetreten. Riechers weist darauf hin, dass Metolachlor seit etwa 45 Jahren in Mais, Sojabohnen und Sorghumhirsen eingesetzt wird und Wasserhanfpopulationen mit Resistenzen gegen das Herbizid noch nicht weit verbreitet sind.

„Als im Boden ausgebrachtes Restmittel ist S-Metolachlor wertvoll für die Bewirtschaftung von Wasserhanf“, sagte Riechers. „Resistenzen sind noch kein großes Problem, aber wenn S-Metolachlor oder andere VLCFA-Inhibitor-Herbizide jemals aufhören würden, in größerem Umfang zu wirken, würde das sogar noch wirksamere Werkzeuge vernichten.“

Der Weg in die Zukunft, so Riechers, bestehe darin, dass die Industrie zu ganzheitlicheren Unkrautbekämpfungsmethoden übergehe – einschließlich der physischen Vernichtung von Saatgut und der Aufnahme vielfältigerer Nutzpflanzen in die Fruchtfolge – und sich nicht vollständig auf die chemische Unkrautbekämpfung verlassen müsse. Er schlägt vor, dass der Anbau von Winterweizen, Zwischenfrüchten oder sogar Sojabohnen im Doppelanbau nach dem Weizen den Unkrautdruck erheblich verringern könnte.

„Mir ist klar, dass es ermüdend wird, ständig zu sagen, man solle die Unkrautbekämpfung diversifizieren, aber es stimmt, und unsere Forschungsergebnisse bei ACES unterstützen diese Strategie“, sagte Riechers.

Die Studie „Vererbung der Resistenz gegen S-Metolachlor in einem Wasserhanf (Amaranthus tuberculatus) Bevölkerung aus Zentral-Illinois“, wird veröffentlicht in Unkrautwissenschaft. Zu den Autoren gehören Dylan R. Kerr, Jeanaflor Crystal T. Concepcion und Dean E. Riechers.