A discrete evolutionary genetic model for the emergence of metabolic resistance

Metabolic resistance refers to the biochemical processes within the plant that degrade herbicides to less toxic compounds, resulting in a shift of the dose-response curve. A multi allelic fitness model is used to simulate the emergence of metabolic resistance. A diploid population with a single resistance locus is considered with K number of alleles. The joint evolutionary dynamics model as described by HUILLET and MARTINEZ (2011) is applied to the dynamics of metabolic resistance. This is achieved by relating the fitness parameters to the form of the dose response curve which is characterized by a steepness and a threshold parameter (ED50 value). It is assumed that the threshold parameter of individuals in a population is log-normally distributed as the result of normal genetic variation. This means that there are only very few individuals with a high degree of metabolic resistance (high threshold parameter) in a weed population if no herbicides are applied. Under the long term application of only herbicide with one mode of action, the model produces the gradual shift of the mean dose response curve of the model weed population as frequently observed in the field. The model is used to understand the dynamics of the development of metabolic resistance under field conditions.Keywords: Evolution, genetic model, metabolic resistance, multi-allelic fitness modelEin zeitdiskretes genetisches Modell für die Entwicklung metabolischer ResistenzMetabolische Resistenz ist die Fähigkeit eines Organismus, toxische Substanzen abzubauen, was zu einer Verschiebung von Dosis-Wirkungskurven (ED50-Werte) führt. Ein generelles genetisches Modell (HUILLET und MARTINEZ, 2011) für eine diploide Population mit einem einzelnen Resistsnz-Lokus und K Allelen wurde auf das Auftreten von metabolischer Resistenz angewendet. Dazu wurden die Fitnesskoeffizienten mit einer Dosiswirkungskurve verknüpft. Die Form der Kurve ist durch einen Schwellenwert (ED50-Wert) und einen Formparameter für die Steigung bestimmt. Jedes Allel Ai trägt zur Expression von einem bestimmen Schwellenwert innerhalb des Individuums bei. Es wird angenommen, dass der Schwellenwert in einer unbehandelten Population logarithmisch normalverteilt ist, d.h. die Frequenz von Individuen mit hohen ED50-Werten ist äußerst gering. Das Modell liefert die Verschiebung der Dosiswirkungskurve einer Population unter der kontinuierlichen Anwendung von Herbiziden mit dem gleichen Wirkungsmechanismus und wird dazu verwendet, Managementverfahren zur Verzögerung des Auftretens der metabolischen Resistenz zu bewerten.Stichwörter: Evolution, genetisches Modell, metabolische Resistenz, Resistenzmanagemen

The effects of different herbicide strategies on the genetic composition of Apera spica-venti (L.) P. Beauv.

Herbicide resistance in weeds is an increasing problem in crop production systems. Resistance to acetolactat  synthase (ALS) inhibitors is common worldwide. In Germany, there is recently an increase in the number of ALS resistant biotypes of Apera spica-venti.The effects of different herbicide strategies on the weed species A. spica-venti were analyzed by a field trial. Two fields with a previous detected ALS target site resistance were chosen for a three year experiment. Four different herbicide strategies were applied: An ALS inhibitor each year, a soil-acting herbicide each year, an alternation between ALS inhibitor and soil-acting herbicide and a combination of several herbicidal mode of action groups. To assess the spatial distribution of resistant biotypes, plant samples were taken on fixed grid points before and after the herbicide treatment. The plant samples were analyzed for SNPs (Single Nucleotide Polymorphism) on the ALS codon P197. The results show that the different herbicide strategies exert an influence on the dynamics of resistance development.Keywords: ALS target site resistance, field trials, Germany, herbicide resistance, loose silky-bentDie Effekte von verschiedenen Herbizidstrategien auf die genetische Zusammensetzung vonApera spica-venti (L.) P. Beauv.Herbizidresistenz ist ein immer stärker werdendes Problem in der Getreideproduktion. Resistenzen gegenüber Acetolactatsynthase (ALS)-Hemmern sind weltweit verbreitet. In Deutschland gibt es eine steigende Zahl an ALS-Resistenzfällen bei Apera spica-venti-Populationen. Die Effekte von verschiedenen Herbizidstrategien auf die Ungrasart A. spica-venti wurden durch Feldversuche untersucht. Zwei Felder mit einer nachgewiesenen ALS-Wirkortresistenz wurden ausgewählt um einen 3-jährigen Feldversuch durchzuführen. Vier verschiedene Herbizidstrategien wurden angewandt: Ein ALS-Hemmer in jedem Jahr, ein Bodenherbizid in jedem Jahr, Wechsel zwischen ALS-Hemmer und Bodenherbizid und eine Kombination aus unterschiedlichen Herbizidgruppen. Um die Verteilung der resistenten Biotypen zu bestimmen wurden Pflanzenproben an einem festen Raster vor und nach den Herbizidbehandlungen entnommen. Die Pflanzenproben wurden dann auf SNPs (Single Nucleotide Polymorphism) auf dem ALS-Kodon P197 untersucht. Die Ergebnisse zeigen das unterschiedliche Herbizidstrategien einen Einfluss auf die Resistenzdynamik ausüben.Stichwörter: ALS-target-site Resistenz, Deutschland, Feldversuch, Herbizidresistenz, Windhal

Modelling the development of herbicide resistance

A population dynamic and genetic model was used to simulate the genetic evolution in an Apera spica-venti (L.) P. Beauv. population. The basis of the model is a life cycle of an annual weed population which is divided into five development stages. These are the seed bank, the seedlings, young plants, the seed producing plants and the produced seeds. The stages are linked through transition probabilities. The interaction between resistant and susceptible genotypes is mediated by a genetic submodel. The model supports the development of management strategies to prevent, reduce or at least retard the development of resistance. Through an embedment into a cellular automaton the dispersal of genetic information is simulated at field scale. Three simulations with different herbicide treatments are compared regarding the resistance evolution.Keywords: Apera spica-venti, cellular automaton, evolution, genetic model, population dynamics, resistance managementModellierung der Entwicklung von HerbizidresistenzEin populationsdynamisches und genetisches Modell wurden verwendet um die genetische Entwicklung in einer Apera spica-venti (L.) P. Beauv. Population zu simulieren. Die Grundlage des Modells ist der Lebenszyklus einer einjährigen Ungraspopulation, welche in fünf Entwicklungsstufen unterteilt ist. Diese sind die Samenbank, die Keimlinge, die Jungpflanzen, die samenbildenden Pflanzen und die gebildeten Samen. Die Stufen sind über Übergangswahrscheinlichkeiten verbunden. Die Interaktion zwischen resistenten und sensitiven Genotypen wird durch ein genetisches Submodell vermittelt. Das Modell unterstützt die Entwicklung von Managementstrategien, um die Entwicklung von Resistenzen zu verhindern, rückgängig zu machen oder wenigstens zu verlangsamen. Durch die Einbindung in einen Zellularen Automaten wird die Ausbreitung der genetischen Information simuliert. Drei Simulationen mit unterschiedlichen Herbizidanwendungen werden bezüglich der Resistenzentwicklung verglichen. Stichwörter: Apera spica-venti, Evolution, genetisches Modell, Populationsdynamik, Resistenzmanagement, Zellularer Automa

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