A method to determine the pollen-mediated spread of target-site resistance to acetylcoenzyme A carboxylase inhibitors in black grass (Alopecurus myosuroidesHuds.)

In this study the spread of target-site resistance to ACCase inhibitors via pollen was characterized in a population of Alopecurus myosuroides. The spread of target-site resistance was assessed in a three-year model crop rotation experiment with 20 plots (round circles of 1 m diameter and enclosed by concrete walls of 50 cm height to avoid seed spread) in a total area of 90 m2. In one plot (so called initial plot) an A. myosuroidespopulation with a known target-site resistance (Leu1781) was sown. A herbicide sensitive biotype (Ile1781) was sown in all others plots. In a cereal crop rotation the second and third crop were treated with field rate of fenoxaprop and leaf samples of surviving plants were taken for DNA analysis. The Pyrosequencing® technology was applied to determine the genotype of sensitive (Ile1781) heterozygous (Ile/Leu1781) and homozygous (Leu1781) individuals. Plants carrying a heterozygous target-site resistance outside the initial plot were a first indication for outcrossing via pollen between the plots. Results showed an outcrossing frequency of 0.4 to 3.3% of Leu1781 into wild-type (Ile1781). The maximal distance for outcrossing from the initial plot was 4 m and 37% of the plots were infested with resistant plants. The frequency of Leu1781 increased in the second year from 7.9 to 26.6% and most plots were infested with herbicide-resistant plants. Outcrossing events decreased with increasing distance from the initial plot. After the first application, all plants identified as resistant outside the initial plot were heterozygous, while homozygous resistant plants were detected in the second year and indicated inbreeding between and within the plots. The results obtained over two years demonstrate the strong potential of the study to model the spread of resistance via pollen in allogamous species in narrow spaces. Hence, we provide a method for obtaining data under conditions close to field conditions. Die Ausbreitung einer wirkortspezifischen Resistenz gegen ACCase-Inhibitoren über Pollen wurde in einem dreijährigen Fruchtfolgeversuch untersucht. Kleine Einzelparzellen (Innendurchmesser 1 m) aus Beton wurden auf einer Freifläche (90 m2) aufgestellt. In 19 der 20 Parzellen wurde eine herbizidsensitive Population des Ackerfuchsschwanz eingesät. In einer zentral gelegenen Parzelle wurde eine Population mit einer wirkortspezifischen Resistenz (Leu1781) etabliert. In einer Getreidefruchtfolge (Sommergerste-Winterweizen-Dinkel) wurde im zweiten und dritten Fruchtfolgeglied Fenoxaprop zur Ackerfuchsschwanzbekämpfung in maximal zugelassener Aufwandmenge über den gesamten Versuch eingesetzt. Von den überlebenden Ackerfuchsschwanzpflanzen wurde eine Blattprobe entnommen und die DNA isoliert. Mit einer Analyse von PCR-Produkten mittels Pyrosequenzing wurde der Genotyp [sensitiv (Ile1781), heterozygot (Ile/ Leu1781) oder homozygot (Leu1781)] jeder einzelnen Pflanze untersucht. Da durch die isolierten Einzelparzellen eine Verschleppung von Ackerfuchsschwanzsamen durch Bodenbearbeitungs- und Erntegeräte ausgeschlossen war, mussten Pflanzen, die eine wirkortspezifische Resistenz (Leu1781) außerhalb der initialen Parzelle aufwiesen, diese über den Pollen von resistenten Pflanzen erhalten haben. Die Ergebnisse zeigen, dass im ersten Versuchsjahr im Winterweizen 0,4 bis 3,3% der Pflanzen in den Einzelparzellen eine wirkortspezifische Resistenz trugen. Die maximale Entfernung, die der Pollen dabei überbrückte, waren 4 m. Im darauf folgenden Jahr wurden Anteile von resistenten Ackerfuchsschwanzpflanzen von 7,9 bis 26,8% in den Einzelparzellen identifiziert. Dabei waren die Auskreuzungen im zweiten Jahr Ereignisse, die zwischen Pflanzen in den Einzelparzellen und innerhalb einer Einzelparzelle stattfinden konnten. Während im ersten Jahr zumeist heterozygote Biotypen auftraten, konnten in Parzellen, die bereits im Jahr zuvor resistente Individuen aufwiesen, auch homozygote Pflanzen identifiziert werden. Die zweijährigen Ergebnisse zeigen, dass die verwendete Methode geeignet ist, die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Herbizidresistenz über Pollen zu verstehen. Weitere Studien dieser Art sind notwendig, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Resistenz über den Pollen im Feld zu erfassen. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die Erhebung von Daten unter feldähnlichen Bedingungen.