Schnelle Detektion der Herbizidresistenz in Unkräutern mit dem neuen bildgebenden Sensor Weed PAM Y. Kaiser, W. Pei, A. Menegat, H.G. Drobny, F.

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1 Schnelle Detektion der Herbizidresistenz in Unkräutern mit dem neuen bildgebenden Sensor Weed PAM Y. Kaiser, W. Pei, A. Menegat, H.G. Drobny, F. Brändle, C. Köcher, E. Pfündel, R. Gerhards

2 Herbizidresistenz Globales Problem 241 resistente Unkrautarten (142 Dikotyle, 100 Monokotyle) (Heap 2015) Entwicklung von Resistenzmanagementstrategien seit den 90ern Alle bedeutenden Wirkmechnismen betroffen (Délye 2013) Wichtiger Schritt im Resistenzmanagement Resistenztest um schnellstmöglichst Maßnahmen einleiten zu können (HRAC, 2015) 2

3 Methoden zur Detektion von Herbizidresistenz Klassische Methoden Gewächshaus Biotest Dosis Wirkungs Versuche Vorteile: einfache Durchführung Identifizierung der Herbizidresistenz unabhängig vom Resistenzmechanismus Nachteile: platz -, arbeits und zeitintensiv Resistenzmanagement nicht zeitnah realisierbar 3

4 Methoden zur Detektion von Herbizidresistenz Schnelltests u.a. Rothamsted Resistance Test, Syngenta RISQ-Test, DuPont-Agartest Kultivierung und Applikation der Pflanzen auf Agar / Filterpapier Parameter: Keimung, Entwicklung von neuen Blättern (Moss 2000, Kaundun et al. 2011) Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI) Kultivierung und Applikation der Pflanzen auf Agar Parameter: Chlorophyll-Fluoreszenz (Kaiser et al. 2013) 4

5 Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI) A: Pflanzenanzucht B: Pflanzen im Wellplate C: Wellplate während der Messung D: PAM- Imaging Sensor-System Kaiser et al. (2013) 5

6 Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI) S R2 R3 R4 CFI (RF) 26,9 25,3 1,3 Biotest* S R R S Molekular WT W574L P197T WT RF, Resistenzfaktor; WT, Wildtyp; *Klassifikation nach Moss et al. (1999) Kaiser et al. (2013), verändert 6

7 Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI) HRAC A A A A B B B C C C G O O Wirkstoff Clethodim Pinoxaden Diclofop Fenoxaprop Meso + Iodosulfuron Florasulam + Pyroxsulam Tribenuron Chlorotoluron Therbutylazin Isoproturon Glyphosat Aminopyralid Clopyralid Arten Ackerfuchsschwanz - Alopecurus myosuroides Jap. Ackerfuchsschwanz - Alopecurus japonicus Gemeiner Windhalm - Apera spica-venti Weidelgras - Lolium spp. Ackersenf - Sinapis arvensis Kamille - Matricaria spp. Klatschmohn - Papaver rhoeas Vogelmiere Stellaria media 7

8 Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI) HRAC A A A A B B B C C C G O O Wirkstoff Clethodim Pinoxaden Diclofop Fenoxaprop Meso + Iodosulfuron Florasulam + Pyroxsulam Tribenuron Chlorotoluron Therbutylazin Isoproturon Glyphosat Aminopyralid Clopyralid Arten Ackerfuchsschwanz - Alopecurus myosuroides Jap. Ackerfuchsschwanz - Alopecurus japonicus Gemeiner Windhalm - Apera spica-venti Weidelgras - Lolium spp. Ackersenf - Sinapis arvensis Kamille - Matricaria spp. Klatschmohn - Papaver rhoeas Vogelmiere Stellaria media Testsystem eignet sich zur Resistenzerkennung Anwendbar für unterschiedliche Wirkstoffe und Unkrautarten 8

9 QWERT-System und Weed PAM Zielsetzung Entwicklung eines portablen Sensors für die Früherkennung von Herbizidresistenz auf dem Feld Hardware Software Datengrundlage für Resistenzklassifizierung Entwicklung eines ganzheitlichen Systems zur Erkennung der Herbizidresistenz bis zur Behandlungsempfehlung: QWERT System 9

10 QWERT-System und Weed PAM Ergebnis der PAM-Messung Ergebnis der TSR-Analyse Empfehlung Informationen über Schlaghistorie 10

11 Entwicklung Weed PAM Prinzip der Messung 11

12 Entwicklung Weed PAM Prinzip der Messung 12

13 Entwicklung Weed-PAM Prinzip der Messung Parameter: Maximale Quantenausbeute des PS II: Fv/Fm = (Fm - Fo)/Fm Fv = variable Fluoreszenz Fm = maximale Fluoreszenz (bei Lichtimpuls) Fo = Dunkel-Fluoreszenz (alle PSII-Kanäle offen) gesund geschädigt 13

14 Entwicklung Weed-PAM Alopecurus myosuroides - Pinoxaden Sensitive Pflanze, Fv/Fm=0.502 Resistente Pflanze, Fv/Fm=

15 Entwicklung Weed-PAM PS II Inhibitoren (HRAC C): Photosystem ist primärer Zielort Bindung des Wirkstoffmoleküls an das Reaktionszentrums des PS II Photosynthese wird gehemmt Chlorophyll Fluoreszenz nimmt zu a. Plastochinon bindet am D1-Protein b. Atrazin bindet am D1-Protein Powles and Yu (2010) 15

16 Entwicklung Weed-PAM ACCase Inhibitoren (HRAC A): Hemmung der ACCase = Hemmung der Fettsäuresynthese Photosystem ist nicht primärer Zielort Hemmung der Fettsäuresynthese führt zur Produktion von reaktiven Sauerstoffradikalen oxidativer Stress Unterbrechung des Elektronentransports von PSII in das PSI (Abbaspoor and Streibig, 2005). Photosynthese wird gehemmt, Chlorophyll Fluoreszenz nimmt zu 16

17 Entwicklung Weed-PAM ALS Inhibitoren (HRAC B): Hemmung der ALS = Hemmung der Produktion von verzweigten Aminosäuren Photosystem ist nicht primärer Zielort Aminosäuren Valin und Isoleucin sind essentiell für den Bau des Reaktionszentrums des PSII (D1-Protein) Photosynthese wird gehemmt, Chlorophyll Fluoreszenz nimmt zu (Oettmeier, 1999) 17

18 Entwicklung Weed PAM Hardware Messkopf mit LEDs Portabler Sensor mit Steuereinheit und Messkopf (WALZ Mess- und Regeltechnik) Tablet mit Software 18

19 Entwicklung Weed PAM Software 19

20 Entwicklung Weed PAM Software Fruchtfolge 20

21 Entwicklung Weed PAM Software Fruchtfolge Bodenbearbeitung 21

22 Entwicklung Weed PAM Software Fruchtfolge Bodenbearbeitung GPS 22

23 Entwicklung Weed PAM Software Fruchtfolge Bodenbearbeitung GPS Unkrautart 23

24 Entwicklung Weed PAM Software Fruchtfolge Bodenbearbeitung GPS Unkrautart Eingesetzte Herbizide und Wirkmechanismen 24

25 Entwicklung Weed PAM Software Fruchtfolge Bodenbearbeitung GPS Unkrautart Eingesetzte Herbizide und Wirkmechanismen Klassifizierung der Herbizidresistenz 25

26 Entwicklung Weed PAM Datengrundlage für die Resistenzklassifizierung 1. Feldversuche: Ziel: Kalibrierung des Systems auf sensitive Populationen (Alopecurus myosuroides, Apera spica-venti) resistente Populationen Welche Fv/Fm-Werte sind nach der Herbizidbehandlung zu erwarten? 2. Messungen auf Praxisflächen mit Verdacht auf Herbizidresistenz: Ziel: Validierung des Systems Messung der natürlich vorkommenden Unkrautpopulation Sammeln von Blattproben für die molekular-genetische Analyse Erfassung der Fv/Fm-Werte, molekulargenetischer Hintergrund, visuelle Bonitur (tot/lebendig) 26

27 QWERT-System Detektion der Herbizidresistenz etwa 3-7 Tage nach Herbizidbehandlung ermöglicht die Einleitung von Resistenzmanagementstrategien in derselben Saison Erfassung der Schlaghistorie und der Koordinaten ermöglicht an den Standort angepasste Empfehlungen für ein Resistenzmanagement 27

28 Herbicide response of A. myosuroides under field conditions a a ab c c c ac bc ac e d d Maximal Photosystems II Quantum (Fv/Fm) Rate Legend C = control ALS1 = mesosulfuron-methyl + iodosulfuron-methyl-natrium ALS2 = pyroxsulam + florasulam PS II = isoproturon DAT = days after treatment 3 DAT.C 7 DAT.C 14 DAT.C 3 DAT.ALS1 7 DAT.ALS1 14 DAT.ALS1 3 DAT.ALS2 7 DAT.ALS2 14 DAT.ALS2 3 DAT.PS II 7 DAT.PS II 14 DAT.PS II Herbicide Treatment & Days after Treatment

29 Ansprechpartner des QWERT-Systems Molekularbiologische Analysen und Vertrieb IDENTXX GmbH Maybachstraße Stuttgart Dr. Cornelia Köcher FON FAX Projektkoordination und wissenschaftliche Leitung Universität Hohenheim, Institut für Phytomedizin (360), Fachgebiet Herbologie Stuttgart Otto-Sander-Straße-5 Prof. Dr. Roland Gerhards FON FAX Technischer Service Weed PAM Heinz Walz GmbH Eichenring Effeltrich Dr. Erhard Pfündel FON FAX epfuendel@walz.com Projektpartner Du Pont de Nemours (Deutschland) GmbH Hugenottenallee Neu Isenburg Dr. Hans G. Drobny FON FAX Hans.G.Drobny@dupont.com Projektförderung Markteinführung ist für 2016 geplant Projekttitel Resistenzmanagement für Unkräuter - Diagnoseverfahren zur Detektion der Herbizidresistenz an Unkräutern im Feld, geoinformationsgestützte Dokumentation, Ursachenanalyse und Managementempfehlungen Laufzeit: Das Projekt wird durch das Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft gefördert Projektträgerschaft Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung

30 Literatur Abbaspoor, M. & Streibig, J. C. (2005). Clodinafop changes the chlorophyll fluorescence induction curve. Weed Science, 53(1), 1 9. Délye, C., Jasieniuk, M. & Le Corre, V. (2013). Deciphering the evolution of herbicide resistance in weeds. Trends in Genetics : TIG, 29(11), Heap, I. The International Survey of Herbicide Resistant Weeds. Online. Internet. Monday, February 2, 2015 HRAC: Kaiser, Y. I., Menegat, A. & Gerhards, R. (2013). Chlorophyll fluorescence imaging: a new method for rapid detection of herbicide resistance in Alopecurus myosuroides. Weed Research, 53(6), Kaundun, S. S., Hutchings, S.-J., Dale, R. P., Bailly, G. C. & Glanfield, P. (2011). Syngenta RISQ test: a novel in-season method for detecting resistance to post-emergence ACCase and ALS inhibitor herbicides in grass weeds. Weed Research, 51(3), Moss, S. R., J. H. Clarke, A. M. Blair, T. N. Culley, M. A. Read, P. J. Ryan, & M. Turner (1999). The occurrence of herbicide-resistant grass-weeds in the United Kingdom and a new system for designating resistance in screening assays. Pages in Proceedings of the Brighton Crop Protection Conference on Weeds. Hampshire, UK: BCPC. Moss SR, The Rothamsted Rapid Resistance Test for detecting herbicide-resistance in annual grass-weeds. WeedSci Soc Am Abstr 40, 102. Oettmeier, W. (1999). Herbicide resistance and supersensitivity in photosystem II. Cellular and Molecular Life Sciences : CMLS, 55(10),

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!