RESISTÊNCIA DE PLANTAS RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A HERBICIDAS:DANINHAS A HERBICIDAS:
Pedro Jacob Christoffoleti Pedro Jacob Christoffoleti Área de Biologia e Manejo de Plantas Área de Biologia e Manejo de Plantas Daninhas Daninhas Departamento de Produção Departamento de Produção Vegetal - ESALQ/USPVegetal - ESALQ/USP
DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO ATUAL DA RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO
RESISTÊNCIA DE RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A PLANTAS DANINHAS A HERBICIDAS HERBICIDAS
1. INTRODUÇÃO
2. DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO DA RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO
2.1 Definição de resistência
2.2 Origem da resistência e fatores que interagem
2.2.1 Fatores genéticos
2.2.2 Fatores bioecológicos
2.2.3 Fatores agronômicos
2.3 Bases para a resistência de plantas daninhas a herbicidas
2.3.1 Perda de afinidade do herbicida pelo local de ação
2.3.2 Metabolismo e detoxificação do herbicida
2.3.3 Redução da concentração do herbicida no local de ação2.4 Casos de resistência registrados no Brasil (situação mundial e
brasileira)
2.3. Glyphosate – resistência ou tolerância?
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
1. INTRODUÇÃO
- Evolução das plantas é conseqüência da pressão de seleção - Plantas daninhas apresentam ampla variabilidade
genética que permite sobreviver em diversidade de ambientes- Nos últimos anos, herbicida é o principal método de controle
- Nas últimas décadas têm-se observado seleção de populações de plantas daninhas, a partir de biótipos resistentes a alguns herbicidas (Christoffoleti, 1997)- Conseqüências da resistência:
- restrição ou inviabilização da utilização dos herbicidas
- perdas de rendimento e qualidade dos produtos agrícolas
- maiores custos com o controle de plantas daninhas
Exige mudanças no sistema de produção
2.1 Definição de resistência
Ano 1 Ano 2 Ano 3
População de plantas daninhas antes da aplicação de herbicida
População de plantas daninhas depois da aplicação de herbicida
Aumento da freqüência do biótipo resistente devido à aplicações repetidas e anuais do mesmo herbicida
Planta suscetível Planta resistente
2. DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO DA RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO
Plantas resistentes ocorrem naturalmente em baixa freqüência
A pressão de seleção exercida pelo herbicida aumenta a freqüência das plantas resistentes
“é a capacidade herdável de uma planta sobreviver e reproduzir após à exposição a um herbicida
“é a capacidade herdável de uma planta sobreviver e reproduzir após à exposição a um herbicida, que normalmente seria letal para a população original”
“é a capacidade herdável de uma planta sobreviver e reproduzir
Definição de resistência
População suscetível após a aplicação de um herbicida inibidor da ALS
Bidens pilosa L.
100 % dos Indivíduossuscetíveis
Bidens pilosa L.
População resistente após a aplicação de um herbicida inibidor da ALS
Indivíduo resistente
Indivíduo suscetível
População resistente após a aplicação de um herbicida inibidor da ALS
100 % dos Indivíduosresistentes
Bidens pilosa L.
Herbicidas(inib. ALS)
GR50
R/SResistente Suscetível
Cloransulan > 0,24 0,035 > 6,85Imazethapyr 0,76 0,064 11,90Imazaquin > 1,2 0,167 > 7,18
Doses (kg i.a./ha) correspondentes aos GR50 dos biótipos resistente (R) e suscetível (S) de Euphorbia heterophylla e a relação R/S.
Fonte: Gazziero et al. (1998)
Doses (g i.a./ha) correspondentes aos GR50 do biótipo de Bidens pilosa
resistente (R) e suscetível (S) aos herbicidas inibidores da ALS
Herbicida Resistente (R) Suscetível (S) R/S
Chlorimuron-ethyl 466,60 11,40 40,92
Nicosulfuron 2173,00 12,50 173,84
Metsulfuron-methyl 39,66 0,69 57,47
Imazethapyr 4402,00 77,00 57,16
Fonte: Christoffoleti (2002)
Doses (g i.a./ha) correspondentes aos GR50 do biótipo de Bidens pilosa
resistente (R) e suscetível (S) aos herbicidas inibidores da ALS
Herbicida Resistente (R) Suscetível (S) R/S
Chlorimuron-ethyl 466,60 11,40 40,92
Nicosulfuron 2173,00 12,50 173,84
Metsulfuron-methyl 39,66 0,69 57,47
Imazethapyr 4402,00 77,00 57,16
Fonte: Christoffoleti (2002)
Herbicidas(inib. ALS)
GR50
R/SResistente Suscetível
Cloransulan > 0,24 0,035 > 6,85Imazethapyr 0,76 0,064 11,90Imazaquin > 1,2 0,167 > 7,18
Doses (kg i.a./ha) correspondentes aos GR50 dos biótipos resistente (R) e suscetível (S) de Euphorbia heterophylla e a relação R/S.
Fonte: Gazziero et al. (1998)
Resistência cruzada:
Resistência cruzada x Resistência múltipla
O que é sítio de ação?
Resistência a diferentes herbicidas que têm o mesmo sítio de ação e/ou mecanismo de ação
Geralmente o mecanismo de resistência é resultante de uma alteração no sítio de ação do herbicida
QQAA
ee--
QQBB
ee--
CytocromoCytocromo
PlastoquinonaPlastoquinona
ee--
ee--
Sítio de ação dos herbicidas inibidores Sítio de ação dos herbicidas inibidores do transporte de elétrons (inibidores da do transporte de elétrons (inibidores da fotossíntese)fotossíntese)
QQAA
ee--
QQBBCytocromoCytocromo
PlastoquinonaPlastoquinona
Planta Planta suscetívelsuscetível
H
QQAA
ee--
QQBB CytocromoCytocromo
PlastoquinonaPlastoquinona
Planta resistentePlanta resistente HH
ee--
ee--
ee--
Sítio de ação dos herbicidas A, B e C
Sítio de ação comum dos
herbicidas A e B
Resistência múltipla:
Resistência cruzada x Resistência múltipla
Resistência a herbicidas não relacionados quimicamente entre si e que apresentam mecanismos de ação diferenciados
Geralmente o mecanismo de resistência é via metabolismo
.. 1616
Classificação dos herbicidas de acordo com o mecanismo/sítio de ação
Herbicide Resistance Action Committee (HRAC)
“The industry get together!” Representantes da Indústria
“o conhecimento dos sítios de ação dos herbicidas nas plantas (mecanismos de ação) é fundamental para compreensão da resistência”
2.2 Origem da resistência e fatores que interagem no desenvolvimento da resistência a herbicidas
Duas teorias de origem da resistência são propostos:Duas teorias de origem da resistência são propostos:
– a teoria da mutação a teoria da mutação (mudança gênica)(mudança gênica)– genes pré-existentes que conferem resistência à genes pré-existentes que conferem resistência à
população população (seleção natural)(seleção natural)
As As mutações mutações ocorrem ao acaso e são ocorrem ao acaso e são pouco freqüentespouco freqüentes
Não existem evidenciasNão existem evidencias que a mutação seja que a mutação seja induzida induzida pelos herbicidaspelos herbicidas
- Dominância dos alelos resistentes
- Tipo de fecundação
- Número de alelos resistentes
- Adaptação ecológica
2.2.1 Fatores genéticos que interagem no desenvolvimento da resistência a herbicidas
- Freqüência inicial do biótipo resistente
Grupo de herbicidas anos
Inibidores de ALS 4
Inibidores de ACCase 6 - 8
Inibidores da biossíntese de caroteno ~10
Inibidores da fotossíntese (Fotossistema II) 10 - 15
Inibidores da fotossíntese (Fotossistema I) 10 - 15
Inibidores da tubulina (Trifluralina) ~10 - 15
Auxinas sintéticas (2,4-D) ~20
Anos para seleção da população resistente, dependendo do grupo de herbicida
A. Freqüência inicial do biótipo resistente
Vidal & Fleck, 1997 – adaptado de Preston, 2003
Inicialmente ocorrem “falhas” na forma de reboleiras
0
5
10
15
0 2 4 6 8
0
2
4
6
8
NPRM2 PRR
PRRNPRM2
Número de anos
Número de plantas resistentes/m2 (NPRM2) (Ovejero & Christoffoleti, 2002)
Simulação da evolução da resistência em função aplicação repetitiva de um herbicida inibidor da ALS.
Freqüência inicial de R = 10-8
Eficácia do herbicida = 98%
Planta daninha gene R dominante e autógama
B. Dominância dos alelos resistentesC. tipo de fecundaçãoD. e número de alelos
Mecanismo de ação Tipo de polinização Dominância do alelo Inibidores da ACCase Autógama, alógama Semidomiante Inibidores da ALS Autógama, alógama Dominante, Semidomiante Hormonais Alógama Dominante Inibidores do FSI Autógama, alógama Dominante, Semidomiante Inibidores do FS2 Autógama, alógama Maternal1 (Semidomiante)2 Inibidores da tubulina Autógama Recessivo
1Herança maternal não envolve recombinação gênica; 2Casos de herança nuclear onde a metabolização é o mecanismo de resistência.Fonte: Vidal & Fleck, 1997.
Freqüência inicial do biótipo resistente
An
os
- 3
0% d
e fr
eq
üên
cia
do
bió
tip
o R
(Gressel & Segel 1985)
2 recessivos ou
4 dominantes
1 recessivo + 1 dominante ou
3 genes dominantes
1 recessivo ou
2 dominantes
1 dominante
(f.=2) f=0,5; =75% ou f=1,0; =50%
Herança da resistência em biótipos de E. Heterophylla
Vargas et al., 2001
- A resistência aos herbicidas inibidores da ALS é controlada por um alelo nuclear dominante
- Não há diferenças no grau de resistência entre os biótipos homozigotos resistentes e heterozigotos quando submetidos a aplicações de inibidores da ALS, sugerindo-se de tratar de um caso de dominância completa para este gene
E. Adaptação ecológica
- capacidade do biótipo em manter ou aumentar sua proporção ao longo do tempo em uma população
Diferenças fisiológicas na fixação de CO2 entre biótipos resistentes (R) e suscetíveis (S) aos herbicidas inibidores da fotossíntese.
Espécies Parâmetros Biótipo (R) Biótipo (S) A. hybridus mg CO2 dm-2 h-1 66,0 82,5 S. vulgaris nmol CO2 cm-2 s-1 1,5 1,8 A. retroflexus mg CO2 dm-2 h-1 17,8 41,7 P. laptipholeum mg CO2 dm-2 h-1 41,0 48,0 B. campestris nmol CO2 cm-2 s-1 1,7 2,0 A. hybridus ug CO2 m
-2 s-1 49,0 56,0 Fonte: Christoffoleti, 1997.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91
Bidens S
Bidens R
Dias após semeadura
Biomassa (g/pl.)
(Christoffoleti, 2000)
CURVAS DE CRESCIMENTO DOS BIÓTIPOS DE B. pilosa R E S AOS HERBICIDAS INIBIDORES DA ALS
Resistente
Suscetível
(Brighenti et al, 2001)
CURVAS DE CRESCIMENTO DOS BIÓTIPOS DE E. heterophylla R E S AOS HERBICIDAS INIBIDORES DA ALS
SuscetívelResistente
2.2.2 Fatores bioecológicos que interagem no desenvolvimento da resistência a herbicidas
- Espécie- Número de gerações por ano e taxa de
reprodução
- Longevidade das sementes no banco de sementes
- Densidade da espécie
- Suscetibilidade da planta daninha ao herbicida
2.2.3 Fatores agronômicos que interagem no desenvolvimento da resistência a herbicidas
1.Característica do herbicida
- Grupo químico
- Residual
- Eficiência de controle
- Dose utilizada
- Característica do herbicida
Predição do surgimento de plantas daninhas resistentes em função do grau de eficiência do herbicida (Fonte: Powles et al., 1997, citado por Merotto Jr, 1998).
2.2.3 Fatores agronômicos que interagem no desenvolvimento da resistência a herbicidas
2. Práticas culturais
- Utilização exclusiva de herbicidas no controle de plantas daninhas
- Uso repetitivo do mesmo herbicida ou de herbicidas com o mesmo mecanismo de ação
- Freqüência de aplicação
- Sistema de cultivo
Opções de manejo Baixo Moderado Alto
Mistura ou rotaçãode herbicidas
> 2 mec. de ação 2 mec. de ação 1 mec. de ação
Formas de controlede plantas daninhas
Cultural, mecânicoe químico
Cultural e químico Somente químico
Uso do mesmo mec.de ação por ciclo
Uma vez Mais de uma vez Muitas vezes
Sistema de cultivo Rotação plena Rotação limitada Sem rotação
Resistência relativaao mec. de ação
Desconhecida Limitada Comum
Nível de infestação Baixo Moderado Alto
Controle nos últimos3 anos
Bom Decrescente Baixo
Porquê alto risco de seleção de populações resistentes aos inibidores da ALS?
- uso repetitivo na agricultura
- alta eficácia
- atividade residual no solo
- resistência determinada geneticamente por locus simples-semi-dominante
- alelo R tem efeitos mínimos na adaptabilidade do biótipo R na ausência do herbicida
- mutações pontuais que podem conferir resistência a um ou mais herbicidas inibidores da ALS
Sequenciamento do DNA de Sequenciamento do DNA de Bidens Bidens que codifica a região de domínio A da que codifica a região de domínio A da ALSALS
Extração
DNA Total
PCR
Gene ALS5’
3’
Fragmento Amplificado por PCR
Sequenciamento...ATCGGTAC...
Clonagem
Plasmídio PUC 18
CTP
A122 P197 A205 W574 S653
Em todos os casos de resistência estudados até o momento a resistência aos inibidores da ALS tem sido atribuída a mudanças na seqüência dos aminoácidos
0 100 200 300 400 500 600
Número do aminoácido
Seqüência de aminoácidos na ALS
(Sathasivan et al. 1990)
1. Aplicado há mais de 25 anos na agricultura
2. Poucos casos de populações resistentes (4 spp R)
Razões do baixo risco de seleção de populações resistentes ao glyphosate
2. Freqüência inicial baixa do biótipo resistente ao glyphosate:
Teoria de saturação mutagênica com Arabidopsis thaliana Heynh.
Não foi possível isolar mutantes a partir de populações induzidas a mutações
Para os inibidores da ALS foram obtidas altas freqüências de mutantes resistentes
3. Tecnologia atual da EPSPS
Substituição da alanina por uma glicina na posição 96 da Escherichia coli conferiu resistência ao glyphosate
Plantas transgênicas exibiram altos níveis de resistência ao glyphosate
Este tipo de mutação gerou efeito paralelo (pleiotrópico) de redução da afinidade da EPSPS ao PEP que torna a planta incapaz de produzir a demanda de aminoácidos aromáticos
Planta menos competitiva e que não se estabeleceria dentre as plantas daninhas
3. Tecnologia atual da EPSPS
O gene que codifica a EPSPS resistente ao glyphosate utilizado na cultura de soja é de strains de Agrobacterium spp. (CP4)
O grau de homologia da seqüência de aminoácidos entre a EPSPS da CP4 e das plantas é de 23 a 41%
Portanto, seria impossível um gene de planta daninha para EPSPS sofrer mutação tão drástica que fosse altamente resistente e que apresentasse afinidade ao PEP
4. Características bioquímica, química e biológica
Apresenta estrutura química singular
Os herbicidas aplicados em mistura ou em rotação com o glyphosate apresentam mecanismos de ação alternativos
Esta rotação ou mistura de herbicidas é comprovadamente uma estratégia recomendada para prevenção e manejo de populações resistentes
Seleção de plantas daninhas tolerantes ao glyphosate
Trapoeraba
Corda-de-viola
Hours after treatment
2.00 4.00 8.00 12.00 24.00 48.00 72.00
% 14
C-g
lyph
osat
e ab
sorp
tion
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C. benghalensisI. grandifoliaA. hybridusR G. max L. S. G. max L.
Absorção de 14C-glyphosate por Commelina benghalensis, Ipomoea grandifolia, Amaranthus hybridus e Glycine max resistante (R) e susceptible (S) ao glyphosate.
Monquero et al. (2002)
Soja
SSo
ja R
A.h
ybrid
us
C. benghalensis
I. grandifolia
Horas após tratamento
% g
lyp
ho
sate
14C
ab
sorv
ido
Cromatografia de camada fina das ceras epicuticulares com os valores de Rf (hidrocarbonos (rf=0.9), éster (rf=0.8), alcoóis secundários (rf=0,4), álcool primário (rf=0,1).
C. benghalensis I. grandifolia A. hybridusMonquero et al. (2002)
+ l
ipo
fíli
ca-
lip
ofí
lica
O glyphosate é predominantemente hidrofílico (ácido fraco)
C. benghalensis
I. grandifolia
A. hybridus Monquero et al. (2002)
Microscopia eletrônica da superfície foliar
grama-boiadeira
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tratamentos
% d
e c
on
tro
le15 DAA
30 DAA
15 DAA 20,0 21,7 13,3 26,7 26,7 35,0 33,3 60,0 53,3 0,0
30 DAA 71,7 80,0 88,3 68,3 90,0 98,3 63,3 81,7 78,3 0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 92+1 2+2 2+2,5 2,5+1 2,5+2 2,5+2,5 3 4 5 Test. Doses
Efeito da aplicação seqüencial de glyphosate transorb
Monsanto, 2002
Intervalo entre as aplicações = 15 dias
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
Se
me
nte
s/ m
2
1 2 3 4 5
Número de aplicações de glyphosate
Testemunha
0,36 kg/ha
1,44 kg/ha
2,88 kg/ha
A. hybridus (sementes/m2) nas diferentes avaliações
C. benghalensis (sementes/m2) nas diferentes avaliações
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Se
me
nte
s/m
2
1 2 3 4
Número de aplicações de glyphosate
Testemunha
0,36 kg/ha
1,44 kg/ha
2,88 kg/ha
2.3 Bases para a resistência de plantas daninhas a herbicidas
2.3.1 Perda de afinidade do herbicida pelo local de ação
ALS
--dihidroxi--metilvalerato
ISOLEUCINA
VALINA
LEUCINA
Treonina
-cetobutirato
-aceto--hidroxi butirato
Piruvato
-acetolactato
Piruvato
SulfoniluréiasImidazolinonas
2.3.2 Metabolismo e detoxificação do herbicida
HerbicidaHerbicida
Herb.Herb. OHOH
FeFe3+3+.Herbicida.Herbicida fp2fp2 NADPHNADPH
ee--
FeFe2+2+.Herb..Herb. FeFe2+2+. Herb.. Herb.COCO
COCOhvhv
OO22
FeFe2+2+. Herb.. Herb.
OO22
Cyt. b5Cyt. b5 fp1fp1 NADHNADH
ee--
FeFe3+3+. Herb.. Herb.
OO2 2 ==
FeFe3+3+. Herb.. Herb.
OO
FeFe3+3+
OO22
HH22OO22
XOOHXOOH
HH22OO
.2O2
2O2 2H2O2
2H+ + 2H2O
Destruiçãodas membranas
ClCl N N
ClCl N+ N+
Paraquat
e- Paraquat++
. .
2.3.3 Redução da concentração do herbicida no local de ação (compartamentalização)
ClCl N+ N+
Paraquat++
Vacúolo
ClCl N N
e-
Paraquat. .
.2O2
2O2 2H2O2
2H+ + 2H2O
2.3.3 Redução da concentração do herbicida no local de ação (compartamentalização)
2.3.4 Superprodução do alvo de ação do herbicida
0
5
10
15
20
25
Nív
el d
e E
PS
PS
na
pla
nta
S I R H
Linhagens de L. rigidum
t = 0 h + glyphosate t = 48 h + glyphosate
Quantificação do nível da EPSPS na plantaQuantificação do nível da EPSPS na planta
2.4 Casos de resistência registrados no Brasil (situação mundial e brasileira)
0
50
100
150
200
250
300
1950 1960 1970 1980 1990 2000
Ano
Nú
mer
o d
e b
ióti
pos
res
iste
nte
s
260 biótipos resistentes, 156 espécies (94 dicot e 62 monocot) em mais de 210.000 campos
Plantas Daninhas Resistentes a Herbicidas no Brasil
Espécie Nome Comum Ano Mecanismo de ação
1. Bidens pilosa Picão-preto 1993 Inibidores da ALS
2. Bidens subalternans Picão-preto 1996 Inibidores da ALS
3. Brachiaria plantaginea Capim-marmelada1996 Inibidores da ACCase
4. Cyperus difformis Junquinho 2000 Inibidores da ALS
5. Echinochloa crus-galli Capim-arroz 1999 Auxinas sintéticas
6. Echinochloa crus-pavonis Capim-arroz 1999 Auxinas sintéticas
7. Euphorbia heterophylla Amendoim-bravo 1992 Inibidores da ALS
8. Fimbristylis miliacea Cominho 2001 Inibidores da ALS
9. Sagittaria montevidensis Sagitária 1999 Inibidores da ALS
10. Digitaria ciliares Capim-colchão 2001 Inibidores da ACCase
Planta daninha de “inverno” Planta daninha de “verão”
Entrelinha – não usar grade ou herbicidas
roçadeira
Brot. Flor. Frutificação Colheita
Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Jan. Fev. Mar. Abr. Mai.
Plena florada gala fuji
linha – herbicidas
pré prépós (até 45 dias da colheita
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Definições: tolerância x resistência
Fatores que determinam o aparecimento da resistência
Conhecimento dos mecanismos de resistência é importante para a adoção de estratégias de manejo
Evolução do número de casos de resistência no Brasil e no mundo
Muito obrigado
Pedro Jacob Christoffoleti ESALQ/USP - Dep. Produção VegetalPiracicaba - SP - C. P. 0913418-900
Fone - 19 - 3429 4190 – Ramal 209
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