Software - Die DPG

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
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)
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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
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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
Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI)
A: Pflanzenanzucht
B: Pflanzen im Wellplate
C: Wellplate während der Messung
D: PAM- Imaging Sensor-System
Kaiser et al. (2013)
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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
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Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI)
HRAC
Wirkstoff
A
Clethodim
A
Pinoxaden
A
Diclofop
A
Fenoxaprop
B
Meso + Iodosulfuron
B
Florasulam + Pyroxsulam
B
Tribenuron
C
Chlorotoluron
C
Therbutylazin
C
Isoproturon
G
Glyphosat
O
Aminopyralid
O
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
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Chlorophyll Fluorescence Imaging (CFI)
HRAC
Wirkstoff
A
Clethodim
A
Pinoxaden
A
Diclofop
A
Fenoxaprop
B
Meso + Iodosulfuron
B
Florasulam + Pyroxsulam
B
Tribenuron
C
Chlorotoluron
C
Therbutylazin
C
Isoproturon
G
Glyphosat
O
Aminopyralid
O
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
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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
QWERT-System und Weed PAM
Ergebnis der PAM-Messung
Empfehlung
Ergebnis der TSR-Analyse
Informationen über
Schlaghistorie
10
Entwicklung Weed PAM
Prinzip der Messung
11
Entwicklung Weed PAM
Prinzip der Messung
12
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
Entwicklung Weed-PAM
Alopecurus myosuroides - Pinoxaden
Sensitive Pflanze, Fv/Fm=0.502
Resistente Pflanze, Fv/Fm=0.719
14
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
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
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
Entwicklung Weed PAM
Hardware
Messkopf mit LEDs
Portabler Sensor mit Steuereinheit und Messkopf
(WALZ Mess- und Regeltechnik)
Tablet mit Software
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Entwicklung Weed PAM
Software
19
Entwicklung Weed PAM
Software
• Fruchtfolge
20
Entwicklung Weed PAM
Software
• Fruchtfolge
• Bodenbearbeitung
21
Entwicklung Weed PAM
Software
• Fruchtfolge
• Bodenbearbeitung
• GPS
22
Entwicklung Weed PAM
Software
•
•
•
•
Fruchtfolge
Bodenbearbeitung
GPS
Unkrautart
23
Entwicklung Weed PAM
Software
•
•
•
•
•
Fruchtfolge
Bodenbearbeitung
GPS
Unkrautart
Eingesetzte
Herbizide und
Wirkmechanismen
24
Entwicklung Weed PAM
Software
•
•
•
•
•
Fruchtfolge
Bodenbearbeitung
GPS
Unkrautart
Eingesetzte
Herbizide und
Wirkmechanismen
• Klassifizierung der
Herbizidresistenz
25
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
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
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Herbicide response of A. myosuroides under
field conditions
a
ab
c
c
c
ac
bc
ac
e
d
0.0
Maximal Photosystems II Quantum (Fv/Fm) Rate
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
a
Legend
C = control
ALS1 = mesosulfuron-methyl + iodosulfuron-methyl-natrium
ALS2 = pyroxsulam + florasulam
PS II = isoproturon
DAT = days after treatment
A
3D
T. C
A
7D
T.C
II
II
II
.C
S2
S2
S1
S2
S1
S1
AT
.PS
. PS
. PS
.AL
. AL
. AL
. AL
.AL
.AL
T
T
D
T
T
T
T
T
T
T
A
A
A
A
A
A
14
DA
DA
DA
7D
3D
7D
7D
3D
3D
14
14
14
Herbicide Treatment & Days after Treatment
d
Ansprechpartner des QWERT-Systems
Molekularbiologische Analysen und Vertrieb
IDENTXX GmbH
Maybachstraße 50
70469 Stuttgart
Dr. Cornelia Köcher
FON
| 0711 93343652
FAX
| 0711 93343659
E-Mail | cornelia.koecher@identxx.com
Technischer Service Weed PAM
Heinz Walz GmbH
Eichenring 6
91090 Effeltrich
Dr. Erhard Pfündel
FON
| 09133 776530
FAX
| 09133 5395
E-Mail | epfuendel@walz.com
Projektkoordination und wissenschaftliche Leitung
Universität Hohenheim, Institut für Phytomedizin (360),
Fachgebiet Herbologie
70593 Stuttgart
Otto-Sander-Straße-5
Prof. Dr. Roland Gerhards
FON
| 0711 45922399
FAX
| 0711 45922408
E-Mail | gerhards@uni-hohenheim.de
Projektpartner
Du Pont de Nemours (Deutschland) GmbH
Hugenottenallee 173-175
63263 Neu Isenburg
Dr. Hans G. Drobny
FON
| 07667 – 904725
FAX
| 07667 904789
E-Mail | 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: 2013 - 2016
Das Projekt wird durch das
Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft gefördert
Projektträgerschaft
Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung
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), 649–58.
Heap, I. The International Survey of Herbicide Resistant Weeds. Online. Internet. Monday, February 2, 2015
HRAC: http://www.hracglobal.com/Education/ManagementofHerbicideResistance.aspx
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), 399–406.
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), 284–293.
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 179–184 in Proceedings of the Brighton Crop Protection Conference on Weeds.
Hampshire, UK: BCPC.
Moss SR, 2000. 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), 1255–77.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !