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Por qué y cómo se tornan las malezas
resistentes a los herbicidas?
Bernal E. Valverde
Investigación y Desarrollo en Agricultura Tropical
Costa Rica ([email protected])
y
Universidad de Copenhague
Dinamarca ([email protected])
Tartagal, 30 de mayo de 2007
Resistencia
Capacidad hereditaria natural
de algunos biotipos dentro de una población
para sobrevivir y reproducirse
después de la aplicación de un herbicida que,
bajo condiciones normales de uso,
controla eficazmente a esa población
Tolerancia
Capacidad hereditaria natural en todas las
poblaciones de una especie de maleza o
cultivo para sobrevivir o reproducirse
después de la aplicación de un herbicida
1
Historia de la resistencia a herbicidas
El primer caso de
resistencia reconocido
fue informado por Ryan
en 1970: Poblaciones de
Senecio vulgaris
evolucionaron resistencia
a simazina en
Washington, EE.UU.
Número de biotipos resistentes
Aumento cronológico de casos singulares de
malezas resistentes a herbicidas en el mundo
350
300
250
200
150
100
Al 30 de mayo de 2007:
314 biotipos pertenecientes a 183 spp.
(110 dicots y 73 monocots)
50
0
1955
1965
1975
1985
1995
2005
Año
Fuente: www.weedscience.org
2
Casos de resistencia según modo de acción
Número de especies resistentes
100
90
80
70
60
50
40
Inhibidores de ACCasa
Inhibidores de ALS
Triazinas
Ureas, Amidas
Bipiridilos
Glicinas
Dinitroanilinas
Auxinas sintéticas
30
20
10
0
1955
1965
1975
1985
1995
2005
Año
Fuente: www.weedscience.org
Por qué evoluciona la resistencia?
Factores claves en la evolución de resistencia
Presión de selección impuesta por el
herbicida
Variabilidad de la población de la
maleza
Adaptabilidad “fitness” de la población
resistente en ausencia del herbicida a
3
Por qué evoluciona la resistencia?
Presión de selección impuesta
por el herbicida
Dosis del herbicida
¾ Eficacia del herbicida
¾ Frecuencia de uso
¾
1era generación
x x x x x
x x x x x x
x x x • x xx
x x x x x x x
Sobrevivientes
H
o
o
•o
o
Sobrevivientes
2da generación
x•x x x
x x x•x x
x x • x x x
x•x x x x x
• Resistente
o Escape
x Susceptible
o
H
o•
•o
o •
o •o
Sobrevivientes
3ra generación
x•x • x •
x •x x • x•
x x • x •x
•x x x x •
H
o•••
•o ••o •
o • •• o
4
Por qué evoluciona la resistencia?
Variabilidad de la población
de la maleza
Frecuencia inicial del gene de resistencia
¾ Heredabilidad de los genes que confieren
resistencia
¾ Características de reproducción
y diseminación de la especie de maleza
¾
Frecuencia inicial de genes de
resistencia
¾
Algunas familias de herbicidas tienen
sitios de acción que mutan fácilmente
¾ Se estima que la frecuencia de
mutaciones en la ALS (sitio de acción
de sulfonilúreas, imidazolinonas y otras
familias) que confieren resistencia
es de alrededor de 1 x 10-6
¾ Frecuencia de genes de resistencia
a glifosato es mucho menor
5
Heredabilidad de la resistencia
¾
La resistencia a triazinas se hereda
en forma materna
¾ Al menos dos genes aditivos controlan
la resistencia a clorotolurón
en Alopecurus myosuroides
¾ Resistencia a dinitroanilinas
en Setaria viridis y Eleusine indica
se hereda como un carácter recesivo
Heredabilidad de la resistencia
¾
La resistencia a fenoxaprop en algunos
biotipos de A. myosuroides está
controlada por dos genes dominantes
(Letouzé & Gasquez 2001)
• Uno de los genes codifica una ACCasa insensible
al herbicida;
• El segundo gene confiere resistencia metabólica
por medio de mono-oxigenasas (citocromo P450)
6
Características de reproducción
y diseminación de la especie
¾
Las especies de polinización cruzada,
altamente variables, prolíficas y que
ocupan grandes extensiones son más
propensas a evolucionar resistencia
¾ Qué experiencia tenemos con el
Sorghum halepense?
Por qué evoluciona la resistencia?
Adaptabilidad “fitness” de la población
resistente en ausencia del herbicida
Menor eficiencia de un proceso fisiológico
¾ Disminución de la producción de semilla
¾ Habilidad competitiva reducida
¾
La mayoría de las malezas resistentes,
sin embargo, no son menos adaptadas
que las normales o susceptibles
7
Bases bioquímicas de la resistencia
y selectividad
• Absorción diferencial
• Transporte diferencial al sitio de acción
• Modificación del sitio de acción
• Metabolismo del herbicida
• Exclusión del sitio de acción
8
Indice de Resistencia
(Potencia relativa)
250
Peso fresco (g)
200
IR =
ED50 (R)
ED50 (S)
25.0
=
4.1
= 6.1
150
100
50
0
Testigo
10
100
1000
Dosis de herbicida (g i.a./ha)
Algunos casos de interés
• Resistencia a propanil en E. colona
– manejo con sinergistas
• Resistencia a inhibidores de ALS
– mutaciones múltiples y efecto
de rotación de cultivos y herbicidas
• “Secuestro” del herbicida
– resistencia a paraquat
• Resistencia múltiple
– el problema más grave
9
Algunos casos de interés
• Resistencia a propanil en E. colona
– manejo con sinergistas
Resistencia a propanil en
Echinochloa colona
está generalizada en América Central,
Colombia y Venezuela
10
Modo de acción del propanil
♣ Herbicida de contacto con transporte
limitado dentro de la planta
♣ Inhibe el trasporte fotosintético
de electrones (acople a proteina-D1)
♣ Metabolizado por el arroz a compuestos
no-tóxicos y finalmente se conjuga con
glucósidos
Hidrólisis de propanil
Acido propiónico
Propanil
Aril Acilamidasa
+
3,4-dicloroanilina
Inhibición
Insecticidas
(carbamatos and organofosfatos)
Conjugados
11
Piperofos
S
N COCH2SP(OCH2CH2CH3)2
CH3
S-2-metilpiperidinocarbonilmetil
O,O-dipropil fosforoditioato
S
NCO CH 2 S P(O CH 3 ) 2
Cl
CH(CH 3 ) 2
Anilofos
S-4-cloro-N-isopropilcarbaniloilmetil
O,O-dimetil fosforoditioato
Efecto del piperofos sobre la eficacia
y selectividad del propanil
Población
Propanil
solo
Propanil +
Piperofos1
RC50 (kg propanil ha-1)
E.c. CR-19
5.2
0.6
E.c. CR-24
4.7
1.1
Arroz CR-5272
10.5
9.5
Arroz CR-1821
6.6
7.7
1 Basado
en una formulación que contiene 440 g propanil + 40 g piperofos/litro
12
Factibilidad del uso de $inergistas
Uso de propanil más piperofos
como porcentaje del área de arroz en Costa Rica
Area tratada (%)
80
60
40
20
0
93
94
95
96
97
98
99
00
01
02
03
04
Algunos casos de interés
• Resistencia a propanil en E. colona
– manejo con sinergistas
• Resistencia a inhibidores de ALS
– mutaciones múltiples y efecto
de rotación de cultivos y herbicidas
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Resistencia a inhibidores de ALS
• Enzima acetolactato sintetasa (ALS)
también se conoce como AHAS
• La ALS es clave en la síntesis
de aminoácidos de cadena ramificada
(Leu, Val, Ile)
• Inhibida por varios grupos de herbicidas:
sulfonilúreas, imidazolinonas,
triazolopirimidinas y pirimidinilbenzoatos
y sulfonilaminocarbonil-triazolinonas
Resistencia a inhibidores de ALS
• El primer caso se reportó en Lactuca serriola
en 1987, en Washington (EE.UU.),
en campos de trigo tratados con clorsulfuron
• Actualmente, la resistencia a inhibidores de la
ALS es la más frecuente entre los modos de
acción de los herbicidas (95 especies)
14
Resistencia a inhibidores de ALS
• En todos los casos de resistencia a inhibidores
de la ALS por presión de selección,
el mecanismo de resistencia está asociado
a una ALS insensible al herbicida
• En Kochia scoparia la resistencia se hereda
como un caracter nuclear dominante;
en Lactuca serriola la resistencia la controla
un solo gene nuclear con dominancia
incompleta
Ala122 Pro197 Ala205
Asp376
Trp574 Ser653
(Ala 653)
PTC*
0
Trp
100
200
300
400
500
600
Número de aminoácidos
IMI-R
SU-S
* Péptido de tránsito
cloroplástico
SU-R
IMI-S
TZP-R
SU-R
IMI-S
IMI, SU,
PTB, TZP,
SACT*-R
SU-R
IMI-R
TZP-R
Pt/oB-R
IMI-R
Pt/oB-R
SU-S
Adaptado de Tranel & Wright. Weed Sci. 50:700-712. 2000
*Sulfonilaminocarboniltriazolinonas (ej. propoxicarbazone), Whaley et al. 2007
15
Casos de resistencia ALS en Latinoamérica
ALS
Amaranthus quitensis (Arg)
Bidens pilosa (Bra)
B. subalternans (Bra)
Cyperus difformis (Bra)
Eleusine indica (CR)
Euphorbia heterophylla (Bra, Par)
Fimbrystillis milliacea (Bra)
Ischaemum rugosum (Ven)
Ixophorus unisetus (CR)
Oryza sativa (CR) - flujo de genes
Raphanus sativus (Bra)
Rottboellia cochinchinensis (Ven)
Sagittaria montevidensis (Bra)
Manejo con herbicidas alternativos:
Malezas de hoja ancha en soya (Brasil y Argentina)
B. pilosa
B. subalternans
E. heterophylla
A. quitensis
Bidens pilosa, B. subalternans, Euphorbia heterophylla
y Amaranthus quitensis evolucionaron resistencia a
herbicidas ALS
Herbicidas que seleccionaron: imazetapir y clorimuron
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Porcentaje de control
Chorimuron
etilo
Nicosulfuron
S
S
R
Metsulfuron
metilo
R
Imazetapir
S
S
R
R
Dosis del herbicida (g ha-1)
Christoffoleti, Scientia Agricola 59:513-519. 2002
Amaranthus quitensis R-ALS en Argentina:
condiciones de selección
Biotipo
1993
1994
1995
1996
1997
Zavalla
IMZ
ATR
BTZ +
2,4-DB
ATR
BTZ +
2,4-DB
G. Baldissere NIC
IMZ
CLM
IMZ
Las Rosas
IMZ
IMZ
IMZ
M. Juarez
IMZ
IMZ
IMZ
RI
IMZ CLM
S
S
IMZ
165
246
ATR
IMZ
73
S
IMZ
IMZ
113
S
ATR: atrazina en maíz, BTZ: bentazon, CLM: clorimuron-etilo, IMZ: imazetapyr, NIC: nicosulfuron
Tuesca & Nisensohn (2001) Pesq Agrop Bras 36:601-606
17
Manejo con herbicidas alternativos:
Malezas de hoja ancha en soya (Brasil y Argentina)
Poblaciones resistentes a herbicidas-ALS
se controlan con:
¾
Lactofen, fomesafen (inhibidores Protox)
¾
Bentazon (FS II)
¾
Glufosinato (Inhibidor de sintetasa de glutamina)
¾
Glifosato (Inhibidor de EPSPS)
Algunos casos de interés
• Resistencia a propanil en E. colona
– manejo con sinergistas
• Resistencia a inhibidores de ALS
– mutaciones múltiples y efecto
de rotación de cultivos y herbicidas
• “Secuestro” del herbicida
– resistencia a paraquat
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Resistencia a paraquat en
Crassocephalum crepidioides
Inmovilización (secuestro) del paraquat
¾
Crassocephalum crepidioides (Asteraceae)
evolucionó resistencia a paraquat en Malasia
¾
Paraquat aplicado dos veces al año
por más de 10 años en campos de tomate
¾
Paraquat no se metabolia en biotipos S o R
¾
Biotipos R y S absorben paraquat de forma
similar
¾
El paraquat aparentemente no alcanza
su sitio de acción
Ismail et al. 2001. Weed Biol Manage 1:176-181
19
Resistente
S
R
14C-paraquat
Fotografías
absorbido
(ng mg-1 peso fresco)
12
10
Susceptible
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
Período de absorción (h)
Autoradiografías
S
R
Distribución de 14C-paraquat en hojas 24 h
después del tratamiento
Biotipo
Distribución de 14C-paraquat
14C-paraquat
Hoja tratada
(% del absorbido)
Superior
Inferior
R
100
-
-
S
90
-
10
Ismail et al. 2001. Weed Biol Manage 1:176-181
Algunos casos de interés
• Resistencia a propanil en E. colona
– manejo con sinergistas
• Resistencia a inhibidores de ALS
– mutaciones múltiples y efecto
de rotación de cultivos y herbicidas
• “Secuestro” del herbicida
– resistencia a paraquat
• Resistencia múltiple
– el problema más grave
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Resistencia múltiple a herbicidas
E. colona
ACCasa + ALS + Propanil
en Costa Rica
A. fatua
ACCasa, ALS: un biotipo
en México
C. echinatus ACCasa, ALS: Chile
L. multiflorum Glifosato, ALS: Chile
Resistencia múltiple en L. rigidum
• Es el problema de malezas principal
en Australia
• La resistencia se debe a la expresión simultánea
de sitios de acción modificados (ej. ACCasa y
ALS resistentes) y metabolismo acelerado de
herbicidas, los cuales por sí solos proveen
resistencia a varios grupos químicos
• Resistencia a 13 familias químicas que
representan nueve modos de acción
21
Resistencia múltiple en L. rigidum
• Individuos dentro de una población pueden
expresar varios mecanismos de resistencia
a la vez
• Por ejemplo, el biotipo VLR69 es resistente
a 9 clases de herbicidas y acumula mecanismos
de resistencia por metabolismo y modificación
del sitio de acción
• La resistencia múltiple limita sustancialmente
el control con herbicidas alternativos.
Manejo de L. rigidum con resistencia múltiple
• Reducción de la producción de semilla
con aplicaciones tardías de herbicidas
no selectivos (“spray topping”)
• Se requiere que el cultivo haya madurado
su semilla al momento de aplicar
• Ampliamente usado en leguminosas y pastos
22
Gracias !
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23