Las malas hierbas siempre han sido un problema importante para la agricultura. Compiten con los cultivos por recursos como luz, agua y nutrientes, lo que puede provocar graves pérdidas de rendimiento.
por Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Investigadores del Instituto Max Planck de Biología Evolutiva de Plön y de la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg (JMU), junto con el profesor de biología de Würzburg, Chaitanya S. Gokhale, han desarrollado un modelo matemático sobre la dinámica de poblaciones y la evolución de la resistencia a herbicidas en malezas perennes que permite hacer predicciones . para una maleza específica. El estudio fue publicado recientemente en Nature Plants .
Los herbicidas como hito
La introducción de herbicidas en la segunda mitad del siglo pasado fue un gran avance para el control de malezas en la agricultura convencional. Los herbicidas permiten una eliminación eficaz de las malas hierbas con un uso de mano de obra especialmente bajo y han sustituido en gran medida a la eliminación manual o puramente mecánica.
Sin embargo, a lo largo de los años, varias especies han desarrollado resistencia a diversos herbicidas, lo que plantea un gran desafío para la agricultura y, en última instancia, puede amenazar la seguridad alimentaria. La resistencia a los herbicidas ocurre espontáneamente y puede estar presente con bajas frecuencias en poblaciones de malezas que nunca han sido tratadas con herbicidas. Cuando se aplican herbicidas, las plantas resistentes tienen una ventaja competitiva y su proporción en la población aumenta rápidamente. Una vez que la proporción de plantas resistentes es lo suficientemente alta, el herbicida ya no suprime la población de malezas.
Ilustración esquemática del ciclo de vida de Johnsongrass y su representación en nuestro modelo. a, El ciclo de vida de Johnsongrass. Johnsongrass se reproduce sexualmente a través de semillas (anillo interior) y asexualmente a través de rizomas (anillo exterior). Las semillas pueden permanecer latentes en el suelo durante varios años, formando un banco de semillas (círculo central). Las semillas nuevas y las semillas del banco de semillas pueden germinar en primavera o permanecer latentes como parte del banco de semillas (expresado por la línea de puntos). Los rizomas dan lugar a brotes en la primera primavera después de su producción. La aplicación de herbicidas (línea de puntos roja) puede matar plántulas y brotes susceptibles. Las plantas que sobreviven compiten por los recursos a medida que maduran. El material vegetal sobre el suelo muere en invierno y Johnsongrass pasa el invierno como semillas y rizomas en el suelo. b, Representación esquemática de nuestro modelo. El lado izquierdo corresponde a la reproducción sexual de Johnsongrass y el lado derecho representa la propagación asexual. Las flechas sólidas representan la dinámica dentro de la temporada y las flechas discontinuas muestran la dinámica entre temporadas. Las probabilidades de supervivencia y fecundidad se muestran en gris junto a las flechas correspondientes. c, Competencia intraespecífica. La competencia intraespecífica por recursos conduce a una reducción de la fecundidad autoadelgazante y dependiente de la densidad. El gráfico de la izquierda muestra la probabilidad de supervivencia de la competencia intraespecífica en plantas jóvenes (P) en función de su densidad. La reducción de la fecundidad dependiente de la densidad, es decir, el número de semillas (f) y yemas de rizoma (b) producidas por plantas maduras, se ilustra a la derecha. Crédito: Las flechas sólidas representan la dinámica dentro de la temporada y las flechas discontinuas muestran la dinámica entre temporadas. Las probabilidades de supervivencia y fecundidad se muestran en gris junto a las flechas correspondientes. c, Competencia intraespecífica. La competencia intraespecífica por recursos conduce a una reducción de la fecundidad autoadelgazante y dependiente de la densidad. El gráfico de la izquierda muestra la probabilidad de supervivencia de la competencia intraespecífica en plantas jóvenes (P) en función de su densidad. La reducción de la fecundidad dependiente de la densidad, es decir, el número de semillas (f) y yemas de rizoma (b) producidas por plantas maduras, se ilustra a la derecha. Crédito: Las flechas sólidas representan la dinámica dentro de la temporada y las flechas discontinuas muestran la dinámica entre temporadas. Las probabilidades de supervivencia y fecundidad se muestran en gris junto a las flechas correspondientes. c, Competencia intraespecífica. La competencia intraespecífica por recursos conduce a una reducción de la fecundidad autoadelgazante y dependiente de la densidad. El gráfico de la izquierda muestra la probabilidad de supervivencia de la competencia intraespecífica en plantas jóvenes (P) en función de su densidad. La reducción de la fecundidad dependiente de la densidad, es decir, el número de semillas (f) y yemas de rizoma (b) producidas por plantas maduras, se ilustra a la derecha. Crédito: La competencia intraespecífica por recursos conduce a una reducción de la fecundidad autoadelgazante y dependiente de la densidad. El gráfico de la izquierda muestra la probabilidad de supervivencia de la competencia intraespecífica en plantas jóvenes (P) en función de su densidad. La reducción de la fecundidad dependiente de la densidad, es decir, el número de semillas (f) y yemas de rizoma (b) producidas por plantas maduras, se ilustra a la derecha. Crédito: La competencia intraespecífica por recursos conduce a una reducción de la fecundidad autoadelgazante y dependiente de la densidad. El gráfico de la izquierda muestra la probabilidad de supervivencia de la competencia intraespecífica en plantas jóvenes (P) en función de su densidad. La reducción de la fecundidad dependiente de la densidad, es decir, el número de semillas (f) y yemas de rizoma (b) producidas por plantas maduras, se ilustra a la derecha. Crédito:Plantas de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01482-1
Las malas hierbas perennes plantean un desafío especial
Las malezas perennes como el pasto Johnson (Sorghum halepense) son particularmente difíciles de controlar y pueden provocar inmensas pérdidas de rendimiento. La razón de esto es que se reproducen sexualmente a través de semillas, pero también pueden reproducirse vegetativamente a través de brotes que crecen horizontalmente bajo tierra, los llamados rizomas. Un suministro de semillas inactivo en el suelo garantiza que la población de malezas volverá a crecer en la próxima temporada. Aquí se puede lograr un mejor control mediante labranza adicional y rotaciones de cultivos apropiadas. De manera similar al uso de antibióticos, una combinación de diferentes herbicidas o su rotación puede retrasar la aparición de resistencia.
Los métodos de control de malezas se pueden investigar en estudios de campo. Sin embargo, estos son naturalmente limitados en duración y número. El modelado matemático ha demostrado ser extremadamente valioso para predecir la dinámica de población y la evolución de la resistencia en las malas hierbas. Sin embargo, la mayoría de los modelos sólo se ocupan de plantas anuales, ya que el ciclo de vida de las malas hierbas perennes es muy complejo.
Posibilidad de predicción
El modelo ahora presentado permite predecir la dinámica poblacional y la evolución de la resistencia a los herbicidas en el pasto Johnson. Mapea el complejo ciclo de vida de la planta y el efecto de los herbicidas y la labranza. Esto también permite investigar el impacto de características específicas del ciclo de vida en el control de malezas perennes y la aparición de resistencia. Utilizando simulaciones por ordenador , los investigadores descubrieron, entre otras cosas, qué estrategias de control son eficaces para retrasar la evolución de la resistencia a los herbicidas y mantener pequeña la población de malas hierbas.
Las combinaciones de varios herbicidas con diferentes modos de acción son claramente superiores a las rotaciones y al monotratamiento para controlar las poblaciones de pasto johnson y la resistencia a los herbicidas. Reducen el riesgo de resistencia a los herbicidas y fallos en el control de malezas. Sin embargo, en este contexto los científicos también discuten un posible aumento del impacto ambiental debido al uso de más herbicidas.
Las rotaciones de herbicidas, por otra parte, no pueden retrasar la aparición de resistencia, pero sí ralentizan el crecimiento de subpoblaciones resistentes. Los resultados indican además que la labranza es un factor importante en el control del pasto Johnson. Se reduce la densidad de malezas y, por tanto, el riesgo de que falle el control de malezas.
El modelo desarrollado contribuye a una mejor comprensión de la aparición y propagación de la resistencia a los herbicidas en las poblaciones de malezas. Por tanto, el estudio puede ayudar a desarrollar estrategias sostenibles de control de malezas.
Más información: Dana Lauenroth et al, Evaluación teórica de la persistencia y adaptación en malezas con ciclos de vida complejos, Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01482-1
