Badanie jednego z najgorszych problemów związanych ze zwalczaniem chwastów, z jakim borykają się rolnicy na całym świecie – odporności na herbicydy – pomogło zespołowi naukowców określić geny odpowiedzialne za ewolucyjną cechę roślin.

Cechą jest NTSR, czyli odporność na herbicydy w miejscu innym niż docelowy. Profesor nadzwyczajny Uniwersytetu Clemson, Christopher Saski, współpracuje z naukowcami z Rothamsted Research w Wielkiej Brytanii, Uniwersytetu w Kopenhadze w Danii oraz firmy Bayer Crop Science w celu zbadania pochodzenia tej cechy. Naukowcy są przekonani, że ta wiedza ostatecznie może pomóc w opracowaniu nowych herbicydów i ulepszonego zarządzania uprawami.

„Herbicydy są przeznaczone do określonego celu w roślinach” – powiedział Saski, profesor nadzwyczajny genetyki systemów na Wydziale Nauk o Roślinach i Środowisku Clemsona.

„Historycznie rodzaj oporu, z jakim mieli do czynienia rolnicy, nazywa się „miejscem docelowym”. W tym miejscu roślina ulega mutacji w miejscu docelowym herbicydu, w wyniku czego herbicyd nie jest już skuteczny, więc nie zabija już chwastów” – powiedział.

Odporność w miejscu docelowym jest zwykle powiązana z określonym herbicydem lub grupą herbicydów i jest łatwa do zidentyfikowania i zarządzania. Bardziej skomplikowanym problemem jest „oporność miejsca niedocelowego”, znana również jako „oporność metaboliczna”. NTSR obejmuje więcej zmian w zakładzie niż tylko miejsce docelowe.

„Odporność na herbicydy w miejscu innym niż docelowy pojawia się, gdy roślina jest w stanie odtruć herbicyd lub gdy herbicyd nie osiąga zamierzonego celu” – powiedział Saski. „Ta forma oporu jest znacznie trudniejsza do zidentyfikowania i opanowania. To naprawdę zła sytuacja, ponieważ powoduje utratę wielu opcji zwalczania chwastów”.

Badanie koncentruje się na czarnej trawie, trawiastym chwastie, który pochodzi z Europy i Azji i został wprowadzony do wielu innych regionów świata, w tym do Ameryki Północnej.

Czarnuszka uważana jest za najbardziej szkodliwy chwast drobnoziarnisty w Europie. Jest trudny do zwalczania, ponieważ jest odporny na wiele herbicydów i kończy swój cykl życiowy w okresie wegetacji zbóż. Jest również płodnym producentem nasion, a każda roślina jest w stanie wyprodukować tysiące nasion, co pozwala na szybki wzrost niekontrolowanych inwazji.

Powszechny opór

Podjęto wysiłki w celu zwalczania czarnej trawy za pomocą chemii, ale doprowadziło to do powszechnej wielokrotnej odporności na herbicydy, zwłaszcza herbicydy powschodowe, które są stosowane po wyjściu rośliny z gleby.

Przedwschodowe herbicydy (flufenacet, pendimetalina lub diflufenikan) są bardziej skuteczne, ale NTSR zaczyna zagrażać również tym aktywnym, zmniejszając dostępne opcje zwalczania tego chwastu.

Naukowcy z Rothamsted Research spędzili lata na opracowywaniu populacji wykorzystywanych do badań genetycznych, dwóch, które niezależnie wyewoluowały NTSR i jednej, która była podatna na herbicydy.

Aby opracować podstawę do badania dziedzicznych cech czarnej trawy, naukowcy stworzyli „mapę drogową”, aby pokazać, gdzie geny znajdują się na chromosomach. Naukowcy wykorzystali techniki analizy genetycznej, aby porównać dwie badane populacje, które w unikalny sposób wyewoluowały NTSR, aby określić geny zaangażowane w tę cechę.

Podstawowe pytanie, które zadali naukowcy, brzmiało: „Czy cechy, które ewoluują niezależnie, mają tę samą podstawę genetyczną?” Ich odpowiedź brzmi: „być może”.

„Chcieliśmy podkreślić zaangażowane geny, ale chcieliśmy również porównać, jak podobna jest ta cecha w różnych populacjach” – powiedział David Comont, naukowiec z Rothamsted Research. „Zrozumienie, jak zmienna jest ta cecha w zależności od populacji, może pomóc nam zrozumieć, jak najlepiej diagnozować i radzić sobie z tą odpornością, jednocześnie rzucając światło na związane z nią procesy ewolucyjne”.

Naukowcy odkryli, że w grę wchodzą niektóre nakładające się geny, a także kilka unikalnych.

„Sugeruje to, że ta odporność obejmuje wspólny„ rdzeń ”zestawu genów, w ramach unikalnie wyewoluowanego profilu lub„ odcisku palca ”z jednej populacji do drugiej” – powiedział Saski.

Od zarania dziejów rośliny zmieniały swój skład genetyczny w odpowiedzi na stresy, takie jak upał, susza, a także herbicydy. Odporność chwastów na herbicydy rośnie na całym świecie i zagraża światowemu bezpieczeństwu żywnościowemu. Saski powiedział, że to badanie może pomóc w planowaniu przyszłości.

„Te odkrycia mają duże znaczenie dla zrozumienia potencjału szybkiej adaptacji roślin w nowych i zmieniających się środowiskach” – powiedział Saski. „Wiedza o genach (i sposobie ich regulacji), które nadają NTSR, może być wykorzystana do projektowania nowych strategii monitorowania i łagodzenia, a także nowych herbicydów, a także do pomocy w zwalczaniu chwastów odpornych na herbicydy”.

Dane zostały przetworzone przy użyciu głównego zasobu HPC firmy Clemson, Palmetto Cluster. Ten superkomputer jest używany przez badaczy, studentów, wykładowców i pracowników z szerokiego zakresu dyscyplin do szerokiego zakresu badań.

Oprócz Saskiego i Comonta, inni badacze zaangażowani w badanie to Lichun Cai z Clemson, Dana MacGregor R i Claudia Lowe z Rothamsted Research; Roland Beffa i Bodo Peters z Bayer Crop Science oraz Paul Neve z Uniwersytetu w Kopenhadze.

Artykuł na temat badań został opublikowany w Nowy fitolog.