Model for metabolic resistance against ALS inhibitors

Due to herbicide selection pressure metabolic resistance has evolved in many weed species. In this paper we analyse the interaction between the branched chain amino acid (BBC) pathway and detoxifying pathways for herbicide breakdown. The four phase detoxification pathway of herbicides comprising the action of P450, GST, glycosyltransferase and ABC transporter is modelled by a system of coupled enzyme kinetic reactions represented by nonlinear differential equations. The herbicide under consideration inhibits the enzyme ALS, which is the key enzyme for the biosynthesis of branched amino acids. For the kinetics of ALS a Monod approach is employed with a binding site for the inhibitor. Synthetic and detoxification pathways are coupled. The model is used to study the production of branched amino acids under the action of ALS inhibitors for different structures and modes of action of the detoxification pathway. The model is capable of generating typical dose response curves and their shift in dependence of the activity pattern of the enzymes of the detoxification pathway of the inhibitor.Keywords: ALS inhibitor, branched chain amino acid biosynthesis, enzyme kinetics, metabolic resistance, metabolic networkEin Modell für die metabolische Resistenz gegen ALS InhibitorenZusammenfassung Metabolische Resistenz beinhaltet die Fähigkeit eines Organismus, toxische Substanzen abzubauen, was zu einer Verschiebung von Dosis-Wirkungskurven führt. In diesem Beitrag wird die Dynamik des Zusammenspiels der Biosynthese der verzweigtkettigen Aminosäuren mit dem Abbauweg für einen ALS Inhibitor anhand eines mathematischen Modelles untersucht. Dieses besteht aus einem System von gekoppelten enzymatischen Reaktionen, dargestellt durch nichtlineare Differentialgleichungen. Die ALS Kinetik wird durch einen Monod Ansatz beschrieben mit Pyruvat als Substrat und einer Bindungsstelle für einen nichtkompetitiven Inhibitor. Das Modell liefert typische Dosis Wirkungskurven und die Verschiebung des ED50-Wertes zu höheren Dosen in Abhängigkeit vom Aktivitätsmuster des Abbauweges für den Inhibitor. Stichwörter: ALS Inhibitor, Biosynthese von Aminosäuren, Enzymkinetik, metabolische Netzwerke, metabolische Resisten

Transferability of a random forest model for resistance prediction between different regions in Europe

Herbizide sind eine wichtige Komponente der integrierten Unkrautbekämpfung (IWM) in der modernen Landwirtschaft. Entscheidungshilfesysteme zur Bewertung des Risikos einer Resistenzentwicklung können in hohem Maße dazu beitragen, die beste IWM-Strategie zu wählen, die an die lokale Situation vor Ort angepasst ist. In einer vorherigen Studie (Herrmann et al., 2016) wurde ein „Random Forest“ Vorhersagemodell zur Bewertung des Risikos für das Auftreten von Resistenzen in Alopecurus myosuroides (ALOMY) Populationen in Süddeutschland erstellt, das auf langjährigen Schlaghistorien beruht. In der vorliegenden Studie wurde die Übertragbarkeit des Vorhersagemodells in Bezug auf Regionen und vergleichbare Unkräuter anhand eines ähnlichen Datensatzes aus einer Region in Nordfrankreich analysiert. Die französischen Daten enthalten auch Informationen zu Lolium spp. (LOLSS, hauptsächlich Lolium perenne). Die deutschen und französischen Daten wurden durch Austausch von Test- und Trainingsdaten einem Kreuzvalidierungsverfahren unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass von Trainingsdaten aus Deutschland akzeptable Vorhersagen für Frankreich erhalten werden können und umgekehrt. Der Resistenzstatus von Proben von Lolium spp. aus Frankreich kann mit einer guten Genauigkeit anhand eines gemeinsamen Trainingssatzes von Proben von A. myosuroides aus Deutschland und Frankreich vorhergesagt werden.Herbicides are an important technology in the Integrated Weed Management (IWM) tool box aiming to control weeds in modern agriculture. Prediction tools to evaluate the risk of resistance evolution will greatly help to choose the best IWM strategy adapted to the local field situation. In a previous work (Herrmann et al., 2016) a random forest risk assessment model based on a data set comprising field history, management, and resistance status of Alopecurus myosuroides populations in Southern Germany was created. In this study transferability of the model with respect to regions and comparable weeds was analysed based on a similar dataset from a region in Northern France. The data from France also contained information on Lolium spp. The data related to Germany and France were subjected to a cross-validation procedure by interchanging test and training data. Results showed that acceptable predictions can be obtained for training data from Germany applied to France and vice versa. Resistance status in LOLSS samples from France can be predicted with a good accuracy based on a combined training set of A. myosuroides samples from Germany and France

Effectiveness of flufenacet in controlling resistant black-grass (Alopecurus myosuroides Huds.) – comparison of glasshouse and field trial results

In the last years in practice, soil acting herbicides have become the backbone for the control of heavy infestations of grass weed populations. The known unsteady efficacy of HRAC group K1, K3 and N herbicides is controversially discussed and became linked with the development of herbicide resistance. In general, the testing of soil-acting compounds even under controlled glasshouse conditions as well as the confirmation of possible resistance is difficult and needs specific methods and a careful result interpretation. The reliability of test methods is therefore of extreme importance. The reference testing procedure such as plant density, irrigation and temperature conditions have been shown to influence the activity of the soil applied herbicides and to result in extreme differences in the efficacy levels in general, but also in differences between resistant and susceptible biotypes.In our trials, the seed density could be ranked as the most sensitive factor. Of the tested products, Cadou SC was the most consistent herbicide followed by Boxer and Stomp Aqua. Possible reduced efficacy effects in glasshouse trials could not be verified by field trial results. The evaluation of field trials from Northern Germany did not show a significant decrease in sensitivity of black-grass (Alopecurus myosuroides Huds.) to flufenacet or flufenact plus diflufenican. It could be shown that seasonal variation in soil moisture, amount of rainfall, temperature conditions and application timing all influenced the efficacy level in the field the most. Keywords: Enhanced metabolic resistance, herbicide resistance, pendimethalin, prosulfocarb, soil herbicides, test methodologyWirksamkeit von Flufenacet in der Bekämpfung von resistentem Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.) – Vergleich von Ergebnissen aus Gewächshaus- und FeldversuchenIn den letzten Jahren ist die Anwendung von Bodenherbiziden zu einem zentralen Baustein für die Bekämpfung von hohen Ungrasdichten in der landwirtschaftlichen Praxis geworden. Die schwankende Wirkungssicherheit der Bodenherbizide der HRAC Gruppen K1, K3 und N unter praktischen Feldbedingungen wird teilweise konträr diskutiert und oft mit einer möglichen Resistenzentwicklung in Zusammenhang gebracht. Die allgemeine Untersuchung der Wirksamkeit von Bodenherbiziden unter kontrollierten Gewächshausbedingungen ist schwierig und bedarf einer wirkstoffspezifischen Methodenanpassung und einer entsprechenden überlegten Ergebnisauswertung. Die Vertrauenswürdigkeit der Testmethode ist deshalb von besonderer Bedeutung. Die Vielzahl der Methodenparameter, wie unter anderem Pflanzendichte, Bewässerung und Temperaturbedingungen, beeinflussen die Wirksamkeit der Bodenherbizide und können zu hohen Wirkungsunterschieden im Allgemeinen, aber auch zu Unterschieden zwischen verschiedenen Populationen führen.In der Überprüfung der Methodenparameter stellte sich vor allem die Pflanzendichte als einflussreicher Faktor für die Wirkungsstärke der Bodenherbizide heraus. In der Reihenfolge der getesteten Produkte war Cadou SC das wirkungsstärkste und konsistenteste Produkt, gefolgt von Boxer und Stomp Aqua. Wirkungsunterschiede in den Gewächshausuntersuchungen konnten im Allgemeinen mit den Feldergebnissen nicht bestätigt werden. Eine Auswertung von Feldversuchen aus Resistenzgebieten in Norddeutschland zeigte in den letzten Jahren keine signifikante Abnahme der Wirksamkeit von Flufenacet oder Flufenacet plus Diflufenican in der Bekämpfungsleistung von Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.). Jahreszeitliche Einflussfaktoren wie Bodenfeuchtigkeit, Niederschlagsereignisse, Temperaturbedingungen und das Wachstumsstadium der Ungräser zum Zeitpunkt der Applikation zeigten einen eindeutigen Einfluss auf die Wirksamkeit der Bodenherbizide. Stichwörter: Bodenherbizide, Herbizidresistenz, Metabolische Resistenz, Pendimethalin, Prosulfocarb, Untersuchungsmethode

Modeling the development of a target site resistant Apera spica-venti (L.) P. Beauv. population – A comparison of model output and field data

A population dynamic model was combined with a genetic model and embedded into a cellular automaton.The model was evaluated with data from two three year field trials which were conducted on commercial fieldsin Lower Saxony and Saxony where target-site resistance to acetolactate synthase (ALS) inhibitors wasdetected in Apera spica-venti. The cropping system consisted of continuous winter wheat in the trial period. On four plots different herbicide strategies were tested. These were continuous application of a soil herbicide, alternation between ALS inhibitor and soil herbicide, continuous use of an ALS inhibitor and two applications per growing season with different mode of actions (MoA). In the beginning of the trial soil samples were taken to estimate the number of viable seeds in the seed bank. This data was used to produce seed distribution maps by interpolating the estimated seed data over the field. These seed maps were then used as the initial seed bank in the model and simulations over three years were executed with the assumption of herbicide use as conducted in the field trial. A comparison of the model output with the field data showed very good analogies in the weed density. Also the development of resistance was reproduced well. The model can now be used to assess herbicide management strategies concerning the development of herbicide resistance for A. spica-venti.Keywords: ALS resistance, genetical model, population dynamic model, loose silky bentModellierung der Entwicklung einer Target-site resistenten Apera spica-venti Population – Ein Vergleich von Modelergebnissen und FelddatenZusammenfassungEin populationsdynamisches Modell wurde mit einem genetischen Modell verbunden und in einen zellularen Automaten eingebunden. Das Modell wurde mit Daten von zwei dreijährigen Feldversuchen evaluiert. Diese wurden auf Resistenzstandorten (Target-Site Resistenz gegen Acetolactat Synthase (ALS) Hemmer) in Niedersachsen und Sachsen durchgeführt. Angebaut wurde Winterweizen während des Versuchszeitraums. In vier verschiedenen Versuchsgliedern wurden unterschiedliche Herbizidstrategien untersucht. Diese waren kontinuierlicher Einsatz eines Bodenherbizids, Wechsel zwischen einem ALS-Hemmer und einem Bodenherbizid, kontinuierlicher Einsatz eines ALS-Hemmers und zwei Herbizidapplikationen mit Produkten verschiedener Wirkmechanismen innerhalb einer Vegetationsperiode. Zu Versuchsbeginn wurden Bodenproben entnommen und das Samenpotential im Boden bestimmt. Diese Daten wurden genutzt um durch Interpolation Samenverteilungskarten zu erstellen. Diese Daten wurden dann als Anfangssamenverteilung für das Modell genutzt und Simulationen über drei Jahre durchgeführt mit denselben Herbizidstrategien aus den Feldversuchen. Der Vergleich der Felddaten mit den Modellausgaben zeigte eine gute Übereinstimmung in der Unkrautdichte. Auch die Resistenzentwicklung konnte wiedergeben werden. Das Model kann jetzt dazu genutzt werden Herbizidmanagementstrategien in Bezug auf ihr Resistenzentwicklungspotential zu bewerten.Stichwörter: ALS Resistenz, genetisches Modell, populationsdynamisches Modell, Windhal

Linkage of the current ALS-resistance status with field history information of multiple fields infested with blackgrass (Alopecurus myosuroides Huds.) in southern Germany

The repetitive use of herbicides as major tool to control troublesome weeds in agriculture caused an increase in resistant weeds lately, especially when Integrated Weed Management principles were ingnored. In a case study approach we sampled blackgrass (Alopecurus myosuroides Huds.) in three distinctive locations for at least 3 years. Based on field infestation level, greenhouse biotests and laboratory analyses we grouped 23 fields as resitant (R), 28 fields as less sensitive (I) and 39 fields as sensitive (S) with regard to their ALS resistance status. Field history information was collected for 90 fields. Variables regarding the frequency of 1) summer crops, 2) winter cerals, 3) ploughing, 4) herbicide use, and 5) early versus late seeding were calculated. Fields with a higher frequency of summer crops, ploughing and later sowing dates in the crop rotation were less frequently grouped into R and I. No relationship was found between the number of modes of action used and the resistance status. Intensity of ALS-inhibitor use of grass herbicides played a role to distinguish resistant from sensitive fields. Our results suggest that cultural measures to bring the blackgrass population size to lower levels are more important than the selection by the herbicide.Zusammenhang des ALS-Resistenzstatus bei Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.) mit den durchgeführten Bewirtschaftungsmaßnahmen auf mehreren Feldern in SüddeutschlandDer übermäßige Einsatz von Herbiziden als einzige Maßnahme zur Reduzierung von Problemunkräutern hat in den letzten jahren zu einer Zunahme resistenter Unkrautpopulationen geführt. Im Rahmen einer Fallstudie wurde daher Ackerfuchsschwanzsamen (Alopecurus myosuroides Huds.) an 3 Standorten über einen Zeitraum von mindetstens 3 Jahren beprobt. Basierend auf einer Befallseinschätzung im Feld, Gewächshaustests und Laboranalysen wurden 23 Felder als resistent (R), 28 Felder als vermindert sensitiv (I) und 39 Felder als sensitive Felder (S) gegenüber ALS-Inhibitoren klassifiziert. In Interviews mit den Landwirten konnten die Bewirtschaftungsmaßnahmen für diese 90 Felder erfragt werden. Aus diesen wurden Variablen, die den Anteil an 1) der Sommerungen in der Fruchtfolge, 2) des Wintergetreides in der Fruchtfolge, 3) den Pflugeinsatz, 4) den Herbizideinsatz sowie 5) die Saatzeitpunktewahl repräsentieren, generiert. Mit einer Zunahme an Sommerungen in der Fruchtfolge, einem erhöhten Pflugeinsatz sowie der häufigeren Wahl später Saatterminewar eine geringere Häufigkeit an resistenten Feldern zu beobachten. Dagegen wurde kein Zusammenhang zwischen der Anzahl der eingesetzten Wirkstoffklassen und dem Resistenzstatus gefunden. Signifikante Unterschiede beim Einsatz von ALS-Inhibitoren waren nur zwischen S und R erkennbar. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ackerbauliche Maßnahmen eine stärkere Wirkung auf die Resistenzentwicklung haben, als die Häufigkeit and Art des Herbizid-Einsatzes

Does weed control by precision spray technology favour the emergence of resistance?

Weed control by precision farming is recommended both by economic and ecological reasons. It is still unclear whether precision weed control favours the emergence of herbicide resistant biotypes. To investigate this, the cellular automaton model of Sandt et al. (2008) for the simulation of precision weed control was extended to resistant biotypes and their genetic interactions. The model is capable of simulating the emergence of resistant biotypes in dependence of weed control thresholds, application rates and initial distribution of biotypes. Examples are shown for the case of polygenic inheritance of resistance involving three loci and thus 27 biotypes. Preliminary simulation results hint that precision farming can delay the emergence of resistance at high weed control thresholds

Status and development of ACCase and ALS inhibitor resistant black-grass (Alopecurus myosuroides Huds.) in neighboring fields in Germany

Neighboring fields in three local areas of southern Germany have been investigated for the infestation level and herbicide resistance structure of black-grass (Alopecurus myosuroides Huds.). One field within a local area, each with confirmed resistance, served as starting point to survey the surrounding fields. Eighty percent of the fields had very few black-grass ears prior to harvest, with mainly ears from single plants spread over the field. Infestation in the other fields was in large patches or widespread, yet in most situations it did not significantly impact on yield level. Resistance to ACCase-inhibiting herbicides was found on all tested fields in each region. Plants with a target-site mutation to ACCase inhibitors were found in all samples; in addition, most plants also exhibited non-target-site resistance. All five mutations conferring ACCase resistance were found. The diversity of the mutations between areas suggests that resistance evolved independently in most fields. At two locations, each one with confirmed ALS resistance, additional fields with reduced ALS efficacy were detected. At one location only the mutation P197T was found, at the second the W574L mutation was also found. Target-site resistance appears to be the major mechanism for these early cases of ALS inhibitor resistance. Understanding the resistance development in individual fields and the spatial dynamics requires investigation over several years. The example of ACCase resistance to black-grass demonstrates how a specific mode of action can be rendered ineffective over a whole region. It provides a possible model for ALS-inhibiting herbicides. In the current situation, farmers are able to manage the black-grass infestation quite well. Resistance in a field seems to develop first in patches with high population densities. Resistance management should therefore focus on the management of the seed bank of each field, using all measures to keep the population pressure low. Keywords: ACCase inhibitors, ALS inhibitors, blackgrass, Germany, non-target-site resistance, target-site resistanceStatus und Entwicklung von ACCase- und ALS-Inhibitor resistenten Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.) in benachbarten Feldern in DeutschlandBenachbarte Felder aus drei Gebieten in Süddeutschland wurden auf Befall und Struktur von Herbizidresistenzen bei Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.) untersucht. Jeweils ein Feld mit bestätigter Resistenz diente als Ausgangspunkt für die Untersuchung der umliegenden Felder. Auf 80 Prozent der Felder fanden sich nur sehr wenige Ähren von über das Feld verstreuten Einzelpflanzen. Der Befall auf den anderen Feldern war in größeren Flecken oder über das ganze Feld verteilt, meist ohne geschätzten Einfluss auf den Ertrag. Resistenz zu ACCase-Inhibitoren wurde auf jedem der Felder in jeder Region gefunden. In allen Proben wurden Pflanzen mit Target-Site Mutationen und solche mit Nicht-Target-Site Resistenzen gefunden. Alle fünf bekannten ACCase-Mutationen wurden gefunden. Die große Diversität der Mutationen lässt vermuten, dass sich die Resistenz unabhängig auf den einzelnen Feldern entwickelt hat. In zwei Gebieten gab es von Anfang an jeweils ein Feld mit bestätigter Resistenz gegen ALS-Inhibitoren. Hier wurde auf weiteren Feldern eine reduzierte Herbizidwirkung nachgewiesen. In einer Region wurde die Mutation P197T gefunden, zusätzlich die Mutation W574L auf den Feldern des zweiten Gebiets. Target-site Resistenz scheint die Hauptursache für diese frühe Phase der ALS-Resistenzentwicklung zu sein. Um die Resistenzentwicklung auf einzelnen Feldern und die Ausbreitung über ein ganzes Gebiet zu verstehen, bedarf es Daten mehrerer Jahre. Das Beispiel der Resistenz gegen ACCase Inhibitoren von Ackerfuchsschwanz demonstriert wie ein bestimmter Wirkmechanismus über ein weites Gebiet wirkungslos werden kann. Es ist ein mögliches Model für ALSinhibierende Herbizide. Gegenwärtig wird der Ackerfuchsschwanz in den untersuchten Gebieten von den Landwirten sehr gut bekämpft. Die Resistenzen scheinen sich zuerst auf Feldstellen mit hohen Populationsdichten zu entwickeln. Resistenzmanagement sollte daher an erster Stelle alle möglichen Maßnahmen umfassen, die den Samenvorrat im Boden niedrig halten. Stichwörter: ACCase-Inhibitoren, Ackerfuchsschwanz, ALS-Inhibitoren, Deutschland, Non-Target-Site Resistenz, Target-Site Resisten

Discovering the mechanism of enhanced metabolism in flufenacet resistant grass weeds

Inhibitors of very long chain fatty acid synthesis (VLCFAs, HRAC group K3) including flufenacet-based products are key herbicides in weed management strategies in particular of Western European cereal growing areas. They offer an alternative mode of action to those of frequently applied post-emergence active ingredients e.g. ACCase and ALS chemistries. In comparison, herbicide resistance to VLCFAs inhibitors develops considerably slower. Yet, resistance to the 'low-risk' herbicide flufenacet was documented in multi-resistant ryegrass (Lolium spp.) in the northwestern United States. A 46-fold resistance shift in a population from Washington State was observed in a dose-response bioassay. The resistance levels described in black-grass (Alopecurus myosuroides Huds.) field populations are lower and generally within the range of environmentally caused inconsistency in efficacy. An artificial selection of two UK multi-resistant black-grass populations with flufenacet applied annually for eight successive years resulted in resistant progeny surviving the field rate. Besides characterizing the degree of resistance in black-grass and ryegrass populations, we demonstrated that flufenacet resistance in these populations was caused by enhanced metabolism. No cross-resistance between flufenacet and pyroxasulfone, the newest VLCFAs-inhibiting herbicide, occurred in the ryegrass population. A good understanding of the resistance mechanism and early diagnostics can help preserve the efficacy of flufenacet.Untersuchung des Mechanismus zum schnelleren Flufenacet-Abbau in resistenten UngräsernInhibitoren der Synthese sehr langkettiger Fettsäuren (VLCFAs, HRAC-GruppeK3) wie z.B. Flufenacetprodukte gehören vor allem in Westeuropa mit zu den entscheidenden Herbiziden der Unkrautbekämpfungsstrategien in Getreide. VLCFAs-lnhibitoren stellen einen alternativen Wirkmechanismus zu den häufig applizierten Wirkstoffen der ACCase- oder ALS-Inhibitoren dar und bieten den Vorteil, dass sich ihnen gegenüber Resistenzen wesentlich langsamer entwickeln. Auch wenn das Resistenzrisiko dieser Herbizide als niedrig eingestuft wird, konnten beispielsweise Resistenzen in Weidelgras-Populationen (Lolium spp.) in den nordwestlichen USA festgestellt werden. Bei einer Population aus Washington State konnte in einem Dosis-Wirkungsversuch eine 46-fache Verschiebung des Resistenzniveaus beobachtet werden. Die Resistenzniveaus, die bei Ackerfuchsschwanz (Alopecurus myosuroides Huds.) in Feldpopulationen beobachtet werden sind jedoch wesentlich geringer und liegen innerhalb der für Vorauflaufherbizide charakteristischen Wirkungsbreite. Durch künstliche Selektion zweier multi-resistenter A. myosuroides-Populationen mit jährlich applizierten Flufenacetdosen konnten in acht aufeinanderfolgenden Jahren resistente Nachkommen selektiert werden, die die empfohlene Feldaufwandmenge überlebten. Wir konnten in dieser Studie das Resistenzlevel der genannten A. myosuroides- und Lolium-Populationen charakterisieren und den hauptsächlich zugrundeliegenden Resistenzmechanismus als metabolische Resistenz identifizieren. Ein weiteres Experiment zeigte, dass in der getesteten Lolium-Population keine Kreuzresistenz mit dem neusten VLCFAs-Hemmer Pyroxasulfon besteht. Ein gutes Verständnis der Resistenzmechanismen und frühe Resistenzdiagnose können dazu beitragen, die Wirksamkeit von Flufenacet aufrechtzuerhalten

Evidence for a role of β‐1,3‐glucanase in dicot seed germination

Class I β‐1,3‐glucanases are antifungal vacuolar proteins implicated in plant defense that show developmental, hormonal, and pathogenesis‐related regulation. The expression was studied in germinating tobacco seeds of a chimeric β‐glucuronidase (GUS) reporter gene fused to 1.6 kb of the 5′ flanking sequence of the tobacco class I β‐1,3‐glucanase B (GLB) promoter. Histological staining for GUS activity showed that expression of the GLB promoter is highly localized in a specific zone of the endosperm in germinating seeds. The temporal and spatial patterns of GUS and β‐1,3‐glucanase activity found, suggest a novel function for class I β‐1,3‐glucanases during seed germination in a dicotyledonous plant. Copyright © 1994, Wiley Blackwell. All rights reserve