Resumen de Mecanismos de resistencia en el sitio de acción y fuera del sitio de acción (tsr y ntsr) en gramíneas resistentes a glifosato
1. introducción o motivación de la tesis La competencia de malas hierbas por espacio, agua y nutrientes está fuertemente relacionada con los bajos rendimientos de un cultivo. A través del tiempo la disponibilidad de herbicidas ha proporcionado flexibilidad en los trabajos agrícolas ya que el control de malas hierbas es realizado por medios tácticos en poco tiempo. Desafortunadamente, una buena estrategia mal utilizada dentro de un sistema de manejo de malas hierbas ha traído consigo una serie de problemas por la aparición de especies resistentes a herbicidas. Desde la introducción del glifosato en el año 1974 hasta la fecha, se han reportado 55 casos únicos de resistencia a este herbicida (Heap, 2021). El glifosato ha sido una de las principales herramientas contra las malas hierbas por su acción sistémica y amplio espectro de control. Estas cualidades, además del bajo coste, lo colocan como el herbicida más utilizado y vendido en todo el mundo (Duke and Powles, 2008). El modo de acción del glifosato consiste en la inhibición de la enzima 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa (EPSPS). Esta enzima cloroplástica interviene en la ruta del ácido shikimico, donde la biosíntesis de aminoácidos aromáticos fenilalanina, tirosina y triptófano, se lleva a cabo (Boocock y Coggins, 1983). El uso excesivo de este herbicida como única alternativa para el control de malas hierbas en algunos sistemas de producción, ha ocasionado distintos problemas en el control de las mismas debido a la aparición de especies resistentes. La resistencia a herbicidas puede definirse como la habilidad inherente y heredable de un biotipo de mala hierba de sobrevivir a la dosis de un herbicida al cual debería de ser sensible (HRAC, 2021; Heap, 2021).
En la resistencia al glifosato pueden involucrarse dos tipos de mecanismos de resistencia, dentro del sitio de acción (TSR) y fuera del sitio objetivo (NTSR) (Salas et al. 2015). Los mecanismos TSR son aquellos cambios que ocurren en la enzima objetivo. Dichos cambios incluyen una substitución de amino-ácidos en la secuencia de ADN que sintetiza a la EPSPS, las substituciones en las posiciones Thr-102, Ala-103 and Pro-106, son mutaciones reconocidas como involucradas en la resistencia al glifosato, tanto en monocotiledóneas, como en dicotiledóneas (Bracamonte et al. 2017 y 2018; García et al. 2019); múltiples números de copias del gen EPSPS que resultan en una mayor amplificación, expresión y actividad del EPSPS (Gaines et al., 2013; Vila-Aiub et al., 2014; Malone et al. 2015; Adu-Yeboah et al. 2019). Por otro lado, los mecanismos fuera del sitio de acción (NTSR)) pueden conferir una impredecible resistencia a herbicidas (Déyle, 2013). En malas hierbas de hoja angosta algunos de estos mecanismos pueden ser la limitada absorción y traslocación (Bracamonte et al. 2017, 2018; Vázquez-García et al. 2020a,b), la reducida retención foliar del herbicida (Michitte et al 2007); secuestración por las vacuolas reportado en el género Lolium (Ge et al. 2012) y la degradación a componentes no tóxicos (sarcocina, glioxilato, formaldehido y amino metil fosfonato) encontrado en Avena sterilis o Echinochloa crus-galli (Fernandez-Moreno et al., 2016; Vázquez-García et al., 2021).
La elaboración de este trabajo se basa en la confirmación de nuevos casos de resistencia en el mundo y encontrar nuevas alternativas de control. Por ello, el descubrimiento de los mecanismos de resistencia TSR o NTSR de las especies resistentes a glifosato, representarían en un apoyo muy importante en la toma de decisiones involucradas en un manejo integrado de malas hierbas.
2.contenido de la investigación Este trabajo presentado por compendio de cuatro publicaciones, se muestra la investigación realizada en cuatro diferentes gramíneas, Bromus rubens (España), Chloris radiata (Colombia), Echinochloa crus-galli (España) y Chloris distichophylla.
Se llevaron a cabo dos actividades importantes en la confirmación de resistencia a glifosato, los ensayos de curva dosis respuesta y la acumulación de ácido shikimico. En el primer ensayo, se pudo determinar el GR50 y el LD50, dos parámetros que muestran la dosis necesaria para reducir el peso al 50% de una población y que mata al 505 de una población, respectivamente. Por otro lado, la acumulación de ácido shikimico discrimina fácilmente a las poblaciones sensibles de las resistentes, como el herbicida glifosato detiene la ruta del ácido shikimico, en aquellas poblaciones que acumularon más ácido shikimico, fueron consideradas sensibles, por el contrario, las que menos o no acumulen, fueron consideradas resistentes.
Por otro lado, se realizaron estudios para determinar los posibles mecanismos de resistencia fuera del sitio de acción (NTSR). Se evaluó la retenciós foliar en B. Rubens, ensayos de absorción y traslocación de 14C-glifosato en poblaciones C. radiata, E. crus-galli y C. distichophylla. Y se estudió el metabolismo en E. crus-galli y C. distichophylla.
Además, se estudiaron los posibles mecanismos dentro del sitio de acción (TSR). En estos ensayos se pudo determinar la actividad enzimática basal de la EPSPS y la actividad enzimática en diferentes concentraciones de glifosato en poblaciones de C. radiata, E. crus-galli y C. distichophylla.
Por último, se evaluó a diferentes herbicidas en ensayos de invernadero y campo para determinar alternativas de control en C. distichophylla y B. rubens, respectivamente.
3.conclusión Se confirmó el primer caso mundial de resistencia de Bromus rubens, y mediante ensayos de invernadero se detectó que existen alternativas químicas como el propaquizafop y flazasulfuron, dos herbicidas con modo de acción diferente al glifosato. Por otro lado, se caracterizaron por primera vez los mecanismos de resistencia en Echinochloa crus-galli resistente a glifosato en cultivos anuales y perennes de la península ibérica. Se encontró que en esta resistencia está implicada una baja absorción y traslocación del herbicida, además, en una población está implicado el metabolismo de glifosato a metabolitos no tóxicos (ácido amino metil fosfonico (AMPA) y glioxilato). También se encontró que el primer caso de Chloris radiata, en arroces colombianos, era debido a una mutación (Pro-106-Ser) en el gen que codifica a la enzima EPSPS. Por último, se encontró que una resistencia de Chloris distichophylla en Brasil, era debido a una baja absorción y traslocación del glifosato. Además, mediante estudios con herbicidas alternativos se encontró que productos como el cletodim, quizalofop, diuron, tembotrione o glufositato, pueden ser herramientas útiles para el control de esta gramínea.
4. Bibliografía Adu‐Yeboah, P., Malone, J. M., Fleet, B., Gill, G., and Preston, C. (2020). EPSPS gene amplification confers resistance to glyphosate resistant populations of Hordeum glaucum Stued (northern barley grass) in South Australia. Pest Manag. Sci. 76, 1214–1221. doi:10.1002/ps.5671.
Boocock, M. R., and Coggins, J. R. (1983). Kinetics of 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase inhibition by glyphosate. FEBS Lett. 154, 127–133. doi:10.1016/0014-5793(83)80888-6.
Bracamonte, E. R., Fernández-Moreno, P. T., Bastida, F., Osuna, M. D., Alcántara-de la Cruz, R., Cruz-Hipolito, H. E., et al. (2017). Identifying Chloris Species from Cuban Citrus Orchards and Determining Their Glyphosate-Resistance Status. Front. Plant Sci. 8. doi:10.3389/fpls.2017.01977.
Bracamonte, E., Silveira, H. M. da, Alcántara-de la Cruz, R., Domínguez-Valenzuela, J. A., Cruz-Hipolito, H. E., and De Prado, R. (2018). From tolerance to resistance: mechanisms governing the differential response to glyphosate in Chloris barbata. Pest Manag. Sci. 74, 1118–1124. doi:10.1002/ps.4874.
Délye, C. (2013). Unravelling the genetic bases of non-target-site-based resistance (NTSR) to herbicides: a major challenge for weed science in the forthcoming decade. Pest Manag. Sci. 69, 176–187. doi:10.1002/ps.3318.
Duke, S. O., and Powles, S. B. (2008). Glyphosate: a once-in-a-century herbicide. Pest Manag. Sci. 64, 319–325. doi:10.1002/ps.1518.
Fernández-Moreno, P. T., Alcántara-de la Cruz, R., Cruz-Hipólito, H. E., Rojano-Delgado, A. M., Travlos, I., and De Prado, R. (2016). Non-target Site Tolerance Mechanisms Describe Tolerance to Glyphosate in Avena sterilis. Front. Plant Sci. 7. doi:10.3389/fpls.2016.01220.
Gaines, T. A., Wright, A. A., Molin, W. T., Lorentz, L., Riggins, C. W., Tranel, P. J., et al. (2013). Identification of Genetic Elements Associated with EPSPS Gene Amplification. PLoS One 8, e65819. doi:10.1371/journal.pone.0065819.
García, M. J., Palma-Bautista, C., Rojano-Delgado, A. M., Bracamonte, E., Portugal, J., Alcántara-de la Cruz, R., et al. (2019). The Triple Amino Acid Substitution TAP-IVS in the EPSPS Gene Confers High Glyphosate Resistance to the Superweed Amaranthus hybridus. Int. J. Mol. Sci. 20, 2396. doi:10.3390/ijms20102396.
Heap, I. (2021). International survey of herbicide resistant weeds. Available at: http://www.weedscience.org.
HRAC (2021). Herbicide Resistance Action Committee: Herbicide Resistance. Available at: https://hracglobal.com/herbicide-resistance.
Malone, J. M., Morran, S., Shirley, N., Boutsalis, P., and Preston, C. (2016). EPSPS gene amplification in glyphosate-resistant Bromus diandrus. Pest Manag. Sci. 72, 81–88. doi:10.1002/ps.4019.
Michitte, P., De Prado, R., Espinoza, N., Pedro Ruiz-Santaella, J., and Gauvrit, C. (2007). Mechanisms of Resistance to Glyphosate in a Ryegrass ( Lolium multiflorum ) Biotype from Chile. Weed Sci. 55, 435–440. doi:10.1614/WS-06-167.1.
Salas, R. A., Scott, R. C., Dayan, F. E., and Burgos, N. R. (2015). EPSPS Gene Amplification in Glyphosate-Resistant Italian Ryegrass ( Lolium perenne ssp. multiflorum ) Populations from Arkansas (United States). J. Agric. Food Chem. 63, 5885–5893. doi:10.1021/acs.jafc.5b00018.
Sammons, R. D., and Gaines, T. A. (2014). Glyphosate resistance: state of knowledge. Pest Manag. Sci. 70, 1367–1377. doi:10.1002/ps.3743.
Vázquez-García, J. G., Golmohammadzadeh, S., Palma-Bautista, C., Rojano-Delgado, A. M., Domínguez-Valenzuela, J. A., Cruz-Hipólito, H. E., et al. (2020a). New Case of False-Star-Grass (Chloris distichophylla) Population Evolving Glyphosate Resistance. Agronomy 10, 377. doi:10.3390/agronomy10030377.
Vazquez-Garcia, J. G., Palma-Bautista, C., Rojano-Delgado, A. M., De Prado, R., and Menendez, J. (2020b). The First Case of Glyphosate Resistance in Johnsongrass (Sorghum halepense (L.) Pers.) in Europe. Plants 9, 313. doi:10.3390/plants9030313.
Vázquez-García, J. G., Rojano-Delgado, A. M., Alcántara-de la Cruz, R., Torra, J., Dellaferrera, I., Portugal, J., and De Prado, R. (2021). Distribution of glyphosate-resistance in Echinochloa crus-galli across agriculture areas in the Iberian Peninsula. Frontiers in Plant Science, 12. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.617040
