Blackgrass se ha convertido en la maleza resistente a herbicidas más dañina económicamente en Europa.
Un equipo dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Biología de Tübingen y la Universidad de Hohenheim en Stuttgart ha descubierto que estas resistencias se atribuyen principalmente a variantes genéticas anteriores al uso de herbicidas. Sus resultados aparecen ahora en las revistas Proceedings of the National Academy of Sciences y Plant Biotechnology Journal .
Los agricultores de toda Europa libran una batalla cada vez más ferviente contra el pasto negro. Esta hierba anual, originaria de Eurasia y que prospera en prados húmedos y bosques caducifolios, ha invadido las tierras cultivadas: creciendo densamente y compitiendo con cultivos como el trigo o la cebada, puede reducir considerablemente el rendimiento de la cosecha. La práctica de décadas de controlar esta mala hierba con herbicidas que se dirigen a proteínas específicas de la planta ha resultado en un aumento preocupante de la resistencia a los herbicidas : la hierba negra causa un daño anual estimado de casi quinientos millones de euros solo en el Reino Unido. Su rápida adaptación a los herbicidas amenaza con superar la innovación en el control químico de malezas.
Muestras de agricultores locales y de toda Europa
Un equipo de científicos dirigido por investigadores del Departamento de Biología Molecular de Detlef Weigel en el Instituto Max Planck de Biología de Tübingen (Alemania) y el Departamento de Biodiversidad de Cultivos e Informática de Mejoramiento de Karl Schmid en la Universidad de Hohenheim (Stuttgart, Alemania) ha estudiado ahora la evolución mecanismos de cómo surgen las resistencias. Los dos herbicidas más comunes que se usan contra la hierba negra impiden la actividad de cualquiera de las dos proteínas, que son vitales para que prospere la maleza.
Blackgrass ha desarrollado diferentes estrategias para resistir las toxinas: la hierba puede evitar que lleguen a las proteínas que están diseñadas para desactivar, por ejemplo, al metabolizarlas. Las plantas con este tipo de resistencia siguen siendo en su mayoría sensibles a dosis más altas de herbicidas. Peor para los agricultores y mucho más frecuente es la llamada resistencia en el sitio objetivo: un cambio directamente en el gen que codifica las proteínas objetivo puede hacer que la planta sea insensible incluso a niveles altos del herbicida.
El rápido aumento de estas resistencias en el sitio objetivo llevó a los investigadores a preguntarse qué papel juegan las mutaciones que surgen recientemente frente a las mutaciones que ya están presentes en una población antes de la exposición a los herbicidas.
Para responder a esta pregunta, los investigadores comenzaron localmente: «Aprendimos de los agricultores que el pasto negro resistente a los herbicidas también es un problema en Tübingen, y pudimos recolectar nuestras primeras muestras con la amable ayuda de los agricultores locales», recuerda la primera autora Sonja Kersten. , cuyo Ph.D. proyecto sentó las bases para el estudio.
«Sin embargo, pronto nos dimos cuenta de que no podíamos aprender mucho de nuestra propia colección limitada. Tuvimos la suerte de poder asociarnos con colegas de BASF Agricultural Solutions, que ya tenían muestras de pasto negro de todo el continente, lo que nos permitió ampliar el alcance del estudio a escala europea». BASF también se benefició, ya que comprender genomas como el de la hierba negra les permite derivar medidas de gestión que pueden contribuir al uso sostenible de los productos herbicidas.
La variación genética proporciona información sobre la historia evolutiva
Los investigadores generaron un genoma de referencia de blackgrass, una representación idealizada de la secuencia de ADN que los estudios genéticos utilizan como estándar de comparación, y analizaron la estructura genética de las poblaciones resistentes.
“La variación que encontramos en la mayoría de las poblaciones resistentes indica que la propagación de las resistencias es el resultado de variantes genéticas preexistentes, y solo en menor grado de mutaciones espontáneas”, explica Fernando Rabanal, autor principal del estudio. «Cuando surge una ventaja evolutiva de una mutación espontánea, generalmente vemos una cierta disminución de la variación genética en la población, y este no fue el caso aquí».
Los investigadores compararon sus datos empíricos con simulaciones de diferentes escenarios para la adaptación, lo que confirmó que las variantes de resistencia en el sitio objetivo probablemente ya estaban presentes antes de que los herbicidas comenzaran a ejercer la presión selectiva.
Desarrollo de métodos de diagnóstico para un mejor seguimiento de las resistencias
Para obtener sus resultados, el equipo secuenció con gran precisión los genes que codifican las proteínas objetivo, así como sus regiones circundantes, generando lo que los biólogos denominan amplicones de lectura larga. Sin embargo, se enfrentaron a la dificultad de tener que procesar cientos de plantas individuales, una tarea costosa y que requería mucho tiempo. Kersten, Rabanal y Weigel desarrollaron un protocolo de secuenciación de genes que permite analizar más de 100 individuos a partir de una sola extracción de ADN sin tener que sacrificar gran parte de la precisión original.
Con el apoyo de colaboradores de Agris42, una empresa con sede en Stuttgart que desarrolla pruebas de resistencia fisiológica para agricultores y socios de la industria, aplicaron su método a 64 poblaciones de campo en toda Alemania, utilizando muestras obtenidas de Agris42. Esta colección puede convertirse en un recurso valioso para monitorear la prevalencia de resistencias; tanto más cuanto que las simulaciones incluidas en el estudio indican que las variantes genéticas resistentes, incluso las más raras, persistirán durante décadas en campos no tratados.
Con miras a las consecuencias prácticas inmediatas de sus hallazgos, los autores señalan que las estrategias de manejo no deben basarse solo en herbicidas, sino también «integrar el manejo mecánico de malezas y la rotación de cultivos, para mantener baja la incidencia de malezas en el campo». «
Más información: Sonja Kersten et al, La variación genética permanente alimenta la evolución rápida de la resistencia a los herbicidas en el pasto negro, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.2206808120
Sonja Kersten et al, Análisis de haplotipos profundos del locus de resistencia del sitio objetivo ACCasa en pasto negro habilitado por secuenciación de amplicón basada en grupos, Plant Biotechnology Journal (2023). DOI: 10.1111/pbi.14033
