Investigation of resistance and adaptive-competitive ability of rigid ryegrass (Lolium rigidum Gaudin) and wild oat (Avena sterilis L) populations

Three populations [(PL1-Kilkis), (PL2-Kalamoto) and (PL3-Grevena)] of rigid ryegrass (Lolium rigidum Gaudin.), originated from winter cereal crops in northern Greece , were evaluated for resistance to mesosulfuron-methyl+iodosulfuron-methyl (ALS-inhibitors) and pinoxaden (ACCase-inhibitor). The PL1, PL2 and PL3 populations showed multiple resistance to these herbicides compared to the susceptible (PLS-Farm of the Aristotle University of Thessaloniki) population, which was diagnosed by plant survival experiments in the two herbicides and confirmed by sequencing of the als and accase genes and in vitro activity of the ALS enzyme. In particular, point mutations were revealed at the als gene that led to the substitution of Pro197 by Ala, Glu, Gln, Leu, Thr and Ser for the ALS enzyme. Regarding accase gene sequence, a point mutation was detected at position Trp2027 which led to the substitution of Trp by Cys for the ACCase enzyme of PL1 population, and mutations were also revealed at Ile2041 that led to the substitution of Ile by Thr or Asn for PL1, PL2 and PL3 resistant populations. The in vitro activity of the ALS enzyme showed I50 values (herbicide concentration for 50% inhibition of the ALS enzyme activity) for PL1, PL2 and PL3 populations that were 16, 11 and 9 greater than the PLS one, which strongly support the results found at the whole plant rate response experiments and at gene sequencing. The PLS population of rigid ryegrass, in pot experiments, caused a greater reduction in wheat biomass compared to the three resistant populations, despite the fact that biomass and stem number were almost similar among the populations. In contrast, in field experiments, all populations at densities of 10-120 plants/m2 did not significantly reduce wheat biomass, although their biomass and stem number varied considerably. The PLS population of rigid ryegrass, at densities of 2, 4, 6 and 8 plants/pot, caused a greater reduction in wheat biomass than the PL1 and PL2 resistant populations, while, in combined density experiments with two sterile oat populations, the competitiveness of the three rigid ryegrass populations against wheat was similar but lower than that of sterile oat ones.The evaluation of four [(PA1-Assiros), (PA2-Halkidiki), (PA3-Serres), (PAS-Farm of the Aristotle University of Thessaloniki)] susceptible to mesosulfuron-methyl+iodosulfuron-methyl of sterile oat (Avena sterilis L.) populations, originated from winter cereal crops in northern Greece, indicated that the PA1, PA2 and PA3 were cross-resistant to clodinafop-propargyl and pinoxaden. This was strongly supported by the accase gene sequencing that revealed point mutations at the Trp2027 codon leading to substitution of Trp by Cys for PA1, at Cys2088 codon resulting in substitution of Cys by Arg and Ser for PA2 and at position Asp2078 that led to the substitution of Asp by Gly for PA3 population. The four sterile oat populations, in pot experiments, showed unstable reduction in wheat biomass during the two growing seasons, although their biomass and number of stems was different in both presence or absence of wheat. Also, the decrease in wheat biomass in field experiments by the four sterile oat populations, at densities of 10-40 plants/m2, was unstable during the two growing seasons. The susceptible PAS population of sterile oat, at densities of 2, 4, 6 and 8 plants/pot, caused a similar decrease in wheat biomass with that of resistant population ΡA2, while, in combined density experiments with the PL1, PL2 and PLS rigid ryegrass populations, their ability to compete wheat was similar but greater than that of rigid ryegrass populations. These findings suggest that sterile oat was stronger competitor than rigid ryegrass, regardless of the mechanism of resistance of the two weed species and the experimental approach used. Concerning fitness-competitive ability between rigid ryegrass and sterile oat populations, the origin of populations, the type of resistance, the proportion of homozygous and heterozygous resistant plants, the agricultural practices applied, the experimental approach used and the environmental conditions prevailing during the experiments could account for these differences.  Σε πειράματα φυτοδοχείων αξιολογήθηκαν τρεις πληθυσμοί [(PL1-Κιλκίς), (PL2-Καλαμωτό, Θεσσαλονίκη), (PL3-Γρεβενά)] λεπτής ήρας (Lolium rigidum Gaudin) από καλλιέργειες χειμερινών σιτηρών της βόρειας Ελλάδας για πιθανή εξέλιξη ανθεκτικότητας στα ζιζανιοκτόνα mesosulfuron-methyl+iodosulfuron-methyl (ALS αναστολείς) και pinoxaden (ACCase αναστολέας). Οι τρεις πληθυσμοί έδειξαν πολλαπλή ανθεκτικότητα στα δύο ζιζανιοκτόνα (mesosulfuron-methyl+iodosulfuron-methyl και pinoxaden) σε σύγκριση με τον ευαίσθητο πληθυσμό (PLS-Αγρόκτημα ΑΠΘ), η οποία διαγνώστηκε με πειράματα επιβίωσης φυτών στα δύο ζιζανιοκτόνα και επιβεβαιώθηκε με την αλληλούχηση των γονιδίων als και accase και με δοκιμές in vitro δράσης του ενζύμου ALS. Ειδικότερα, ανιχνεύτηκαν σημειακές μεταλλάξεις που οδήγησαν στην αντικατάσταση του αμινοξέος προλίνη (Pro197) από Ala, Glu, Gln, Leu, Thr ή Ser για το ένζυμο ALS, ενώ για το ένζυμο ACCase αποκαλύφθηκαν σημειακές μεταλλάξεις, που είχαν ως συνέπεια την αντικατάσταση της τρυπτοφάνης (Trp2027) από κυστεΐνη (Cys) για τον PL1 πληθυσμό και την αντικατάσταση της ισολευκίνης (Ile2041) από Thr και Asn για τους ανθεκτικούς πληθυσμούς ΡL1, ΡL2 και ΡL3. Επίσης, τα ευρήματα των πειραμάτων φυτοδοχείων και αλληλούχησης του γονιδίου als επιβεβαιώθηκαν με δοκιμές in vitro δράσης του ενζύμου ALS, οι οποίες έδειξαν ότι οι Ι50 τιμές (απαιτούμενη συγκέντρωση mesosulfuron-methyl+iodosulfuron-methyl για την αναστολή της δράσης του ενζύμου ALS κατά 50%) των ΡL1, ΡL2 και ΡL3 πληθυσμών ήταν 16, 11 και 9 φορές μεγαλύτερες από την αντίστοιχη Ι50 τιμή του ευαίσθητου PLS πληθυσμού. Ο ευαίσθητος πληθυσμός PLS της λεπτής ήρας, σε πειράματα παρουσίας ή απουσίας σιταριού (πειράματα φυτοδοχείων), προκάλεσε μεγαλύτερη μείωση στη βιομάζα του σιταριού σε σύγκριση με τους τρεις ανθεκτικούς πληθυσμούς της λεπτής ήρας, παρά το γεγονός ότι η βιομάζα και ο αριθμός βλαστών δεν διέφεραν μεταξύ των πληθυσμών. Αντιθέτως, σε πειράματα αγρού, όλοι οι πληθυσμοί της λεπτής ήρας, σε πυκνότητες 10-120 φυτών/m2, δεν επηρέασαν σημαντικά τη βιομάζα του σιταριού, αν και υπήρχαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των πληθυσμών ως προς τη βιομάζα και τον αριθμό βλαστών. Ο ευαίσθητος πληθυσμός PLS της λεπτής ήρας, στις πυκνότητες των 2, 4, 6 και 8 φυτών/φυτοδοχείο, προκάλεσε μεγαλύτερη μείωση στη βιομάζα του σιταριού από ό,τι οι ανθεκτικοί πληθυσμοί ΡL1 και ΡL2, ενώ, σε πειράματα συνδυασμένης πυκνότητας, μεταξύ των τριών πληθυσμών λεπτής ήρας και ενός ευαίσθητου PAS και ενός ανθεκτικού PA2 πληθυσμού αγριοβρώμης, η ικανότητα ανταγωνισμού των τριών πληθυσμών της λεπτής ήρας έναντι του σιταριού ήταν παρόμοια αλλά μικρότερη από εκείνη της αγριοβρώμης. Η αξιολόγηση τεσσάρων [(PΑ1-Άσσηρος, Θεσσαλονίκη), (PΑ2-Χαλκιδική), (PΑ3-Σέρρες), (PΑS-Αγρόκτημα ΑΠΘ)] ευαίσθητων στο mesosulfuron-methyl+iodosulfuron-methyl πληθυσμών αγριοβρώμης (Avena sterilis L.) από καλλιέργειες χειμερινών σιτηρών της βόρειας Ελλάδας έδειξε ότι οι PΑ1, PΑ2 και PΑ3 πληθυσμοί είχαν διασταυρούμενη ανθεκτικότητα στα ζιζανιοκτόνα clodinafop-propargyl και pinoxaden. Αυτό διαγνώστηκε με πειράματα επιβίωσης φυτών στα δύο ζιζανιοκτόνα και επιβεβαιώθηκε από την αλληλούχηση του γονιδίου accase, η οποία αποκάλυψε σημειακές μεταλλάξεις, που οδήγησαν στην αντικατάσταση της Trp2027 από Cys για τον ΡΑ1 πληθυσμό, στην αντικατάσταση της Cys2088 από Arg και Ser στο ένζυμο ACCase για τον ΡΑ2 πληθυσμό και στην αντικατάσταση του Asp2078 από Gly για τον ΡΑ3 πληθυσμό. Οι τέσσερις πληθυσμοί της αγριοβρώμης, σε πειράματα φυτοδοχείων, έδειξαν μη σταθερή μείωση της βιομάζας του σιταριού κατά τις δύο καλλιεργητικές περιόδους, αν και η βιομάζα και ο αριθμός βλαστών τους παρουσία ή απουσία σιταριού διέφερε μεταξύ τους. Επίσης, η μείωση της βιομάζας του σιταριού στα πειράματα αγρού από τους τέσσερις πληθυσμούς της αγριοβρώμης, σε πυκνότητες 10-40 φυτά/m2, ήταν σημαντική αλλά μη σταθερή κατά τις δύο καλλιεργητικές περιόδους. Ο ευαίσθητος πληθυσμός PΑS της αγριοβρώμης, στις πυκνότητες των 2, 4, 6 και 8 φυτών/φυτοδοχείο, προκάλεσε παρόμοια μείωση στη βιομάζα του σιταριού με τον ανθεκτικό πληθυσμό ΡΑ2, ενώ, σε πειράματα συνδυασμένης πυκνότητας με τους πληθυσμούς PL1, PL2 και PLS της λεπτής ήρας, η ικανότητα ανταγωνισμού των δύο πληθυσμών της αγριοβρώμης έναντι του σιταριού ήταν παρόμοια αλλά μεγαλύτερη από εκείνη των τριών πληθυσμών της λεπτής ήρας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι διαφορές στην προσαρμοστική-ανταγωνιστική ικανότητα των πληθυσμών της λεπτής ήρας ή της αγριοβρώμης μπορούν να αποδοθούν στον μηχανισμό ανθεκτικότητας, στις αναλογίες ομόζυγων και ετερόζυγων ανθεκτικών φυτών, στη γεωγραφική προέλευση, στις γεωργικές πρακτικές, στις συνθήκες πειραμάτων και στις αλληλεπιδράσεις πληθυσμών και περιβάλλοντος

Impact of ALS Herbicide-Resistant Perennial Ryegrass (<i>Lolium perenne</i>) Population on Growth Rate and Competitive Ability against Wheat

Three perennial ryegrass (Lolium perenne) populations (R1, R2, and R3) with suspected resistance (R) to acetolactate synthase (ALS) or acetyl-CoA carboxylase (ACCase) herbicides were collected from wheat (Triticum aestivum) fields in northwestern Greece to study the underlying mechanisms of resistance and their impact on growth rate and competitive ability against wheat. Preemergence and postemergence plant dose–response assays showed that the R1 population was cross-resistant to the ALS inhibitors chlorsulfuron, mesosulfuron + iodosulfuron, and pyroxsulam, but susceptible (S) to imazamox. However, all populations were susceptible to the ACCase inhibitors clodinafop-propargyl, clethodim, diclofop-methyl, and pinoxaden. The analysis of the ALS gene sequence revealed a substitution of Pro197 by His or Leu in the ALS enzyme in L. perenne, which is reported for the first time in this weed and indicates a potential mechanism of target site-mediated resistance. The R1 population grown in the absence or presence of wheat competition displayed similar aboveground biomass and tiller number trends, and therefore similar estimated growth rates. In addition, the aboveground biomass of wheat was similarly reduced by both the R1 and S populations, supporting the evidence of their similar competitive ability against wheat. In general, these findings indicate that there is no clear evidence for the fitness advantage of R1 over the S population