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RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A HERBICIDAS: Pedro Jacob Christoffoleti Área de Biologia e Manejo de Plantas Daninhas Departamento de Produção Vegetal.

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1 RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A HERBICIDAS: Pedro Jacob Christoffoleti Área de Biologia e Manejo de Plantas Daninhas Departamento de Produção Vegetal - ESALQ/USP DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO ATUAL DA RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO

2 RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A 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 Fatores genéticos Fatores bioecológicos Fatores agronômicos 2.3 Bases para a resistência de plantas daninhas a herbicidas Perda de afinidade do herbicida pelo local de ação Metabolismo e detoxificação do herbicida Redução da concentração do herbicida no local de ação 2.4 Casos de resistência registrados no Brasil (situação mundial e brasileira) 2.3. Glyphosate – resistência ou tolerância? 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

3 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

4 2.1 Definição de resistência 2. DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO DA RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO

5  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

6 População suscetível após a aplicação de um herbicida inibidor da ALS Bidens pilosa L. 100 % dos Indivíduos suscetíveis

7 Bidens pilosa L. População resistente após a aplicação de um herbicida inibidor da ALS Indivíduo resistente Indivíduo suscetível

8 População resistente após a aplicação de um herbicida inibidor da ALS 100 % dos Indivíduos resistentes Bidens pilosa L.

9 Herbicidas (inib. ALS) GR 50 R/S ResistenteSuscetível Cloransulan> 0,240,035> 6,85 Imazethapyr0,760,06411,90 Imazaquin> 1,20,167> 7,18 Doses (kg i.a./ha) correspondentes aos GR 50 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 GR 50 do biótipo de Bidens pilosa resistente (R) e suscetível (S) aos herbicidas inibidores da ALS HerbicidaResistente (R)Suscetível (S)R/S Chlorimuron-ethyl 466,6011,4040,92 Nicosulfuron 2173,0012,50173,84 Metsulfuron-methyl 39,660,6957,47 Imazethapyr 4402,0077,0057,16 Fonte: Christoffoleti (2002)

10 Doses (g i.a./ha) correspondentes aos GR 50 do biótipo de Bidens pilosa resistente (R) e suscetível (S) aos herbicidas inibidores da ALS Herbicida Resistente (R)Suscetível (S)R/S Chlorimuron-ethyl 466,6011,4040,92 Nicosulfuron 2173,0012,50173,84 Metsulfuron-methyl 39,660,6957,47 Imazethapyr 4402,0077,0057,16 Fonte: Christoffoleti (2002) Herbicidas (inib. ALS) GR 50 R/S ResistenteSuscetível Cloransulan> 0,240,035> 6,85 Imazethapyr0,760,06411,90 Imazaquin> 1,20,167> 7,18 Doses (kg i.a./ha) correspondentes aos GR 50 dos biótipos resistente (R) e suscetível (S) de Euphorbia heterophylla e a relação R/S. Fonte: Gazziero et al. (1998)

11 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

12 QAQAQAQA e-e-e-e- QBQBQBQB e-e-e-e- Cytocromo Plastoquinona e-e-e-e- e-e-e-e- Sítio de ação dos herbicidas inibidores do transporte de elétrons (inibidores da fotossíntese)

13 QAQAQAQA e-e-e-e- QBQBQBQBCytocromoPlastoquinona Planta suscetível H QAQAQAQA e-e-e-e- QBQBQBQBCytocromo Plastoquinona Planta resistente H e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e-

14 Sítio de ação dos herbicidas A, B e C Sítio de ação comum dos herbicidas A e B

15 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

16 .16 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”

17 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 (mudança gênica) –genes pré-existentes que conferem resistência à população (seleção natural) As mutações ocorrem ao acaso e são pouco freqüentes As mutações ocorrem ao acaso e são pouco freqüentes Não existem evidencias que a mutação seja induzida pelos herbicidas Não existem evidencias que a mutação seja induzida pelos herbicidas

18 - Dominância dos alelos resistentes - Tipo de fecundação - Número de alelos resistentes - Adaptação ecológica Fatores genéticos que interagem no desenvolvimento da resistência a herbicidas - Freqüência inicial do biótipo resistente

19 Grupo de herbicidasanos Inibidores de ALS4 Inibidores de ACCase6 - 8 Inibidores da biossíntese de caroteno~10 Inibidores da fotossíntese (Fotossistema II) Inibidores da fotossíntese (Fotossistema I) Inibidores da tubulina (Trifluralina)~ 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

20 Inicialmente ocorrem “falhas” na forma de reboleiras

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22 NPRM2PRR NPRM 2 Número de anos Número de plantas resistentes/m 2 (NPRM 2 ) (Ovejero & Christoffoleti, 2002) Simulação da evolução da resistência em função aplicação repetitiva de um herbicida inibidor da ALS. Freqüência inicial de R = Eficácia do herbicida = 98% Planta daninha gene R dominante e autógama

23 B. Dominância dos alelos resistentes C. tipo de fecundação D. e número de alelos 1 Herança maternal não envolve recombinação gênica; 2 Casos de herança nuclear onde a metabolização é o mecanismo de resistência. Fonte: Vidal & Fleck, 1997.

24 Freqüência inicial do biótipo resistente Anos - 30% de freqüência do biótipo 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%

25 Herança da resistência em biótipos de E. Heterophylla Vargas et al., 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

26 E. Adaptação ecológica - capacidade do biótipo em manter ou aumentar sua proporção ao longo do tempo em uma população

27 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

28 (Brighenti et al, 2001) CURVAS DE CRESCIMENTO DOS BIÓTIPOS DE E. heterophylla R E S AOS HERBICIDAS INIBIDORES DA ALS Suscetível Resistente

29 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

30 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

31 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).

32 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

33 Opções de manejo Baixo Moderado Alto Mistura ou rotação de herbicidas > 2 mec. de ação2 mec. de ação1 mec. de ação Formas de controle de plantas daninhas Cultural, mecânico e químico Cultural e químicoSomente químico Uso do mesmo mec. de ação por ciclo Uma vezMais de uma vezMuitas vezesSistema de cultivoRotação plenaRotação limitadaSem rotação Resistência relativa ao mec. de ação DesconhecidaLimitadaComumNível de infestaçãoBaixoModeradoAlto Controle nos últimos 3 anos BomDecrescenteBaixo

34 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

35 Sequenciamento do DNA de Bidens que codifica a região de domínio A da ALS Extração DNA Total PCR Gene ALS 5’ 3’ Fragmento Amplificado por PCR Sequenciamento...ATCGGTAC... Clonagem Plasmídio PUC 18

36 CTP A122P197A205W574S653 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 Número do aminoácido Seqüência de aminoácidos na ALS (Sathasivan et al. 1990)

37 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

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39 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

40 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

41 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

42 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

43 Seleção de plantas daninhas tolerantes ao glyphosate TrapoerabaCorda-de-viola

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45 Absorção de 14 C-glyphosate por Commelina benghalensis, Ipomoea grandifolia, Amaranthus hybridus e Glycine max resistante (R) e susceptible (S) ao glyphosate. Monquero et al. (2002) Soja S Soja R A.hybridus C. benghalensis I. grandifolia Horas após tratamento % glyphosate 14 C absorvido

46 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. benghalensisI. grandifoliaA. hybridus Monquero et al. (2002) + lipofílica - lipofílica O glyphosate é predominantemente hidrofílico (ácido fraco)

47 C. benghalensis I. grandifolia A. hybridus Monquero et al. (2002) Microscopia eletrônica da superfície foliar

48 grama-boiadeira Tratamentos % de controle 15 DAA 30 DAA 15 DAA 20,021,713,326,7 35,033,360,053,30,0 30 DAA 71,780,088,368,390,098,363,381,778,30, ,5 2,5+1 2,5+2 2,5+2,5 3 45Test. Doses Efeito da aplicação seqüencial de glyphosate transorb Monsanto, 2002 Intervalo entre as aplicações = 15 dias

49 A. hybridus (sementes/m 2 ) nas diferentes avaliações

50 C. benghalensis (sementes/m2) nas diferentes avaliações

51 2.3 Bases para a resistência de plantas daninhas a herbicidas Perda de afinidade do herbicida pelo local de ação ALS  -  -dihidroxi-  -metilvalerato ISOLEUCINA VALINA LEUCINA Treonina  -cetobutirato  -aceto-  -hidroxi butirato Piruvato  -acetolactato Piruvato Sulfoniluréias Imidazolinonas

52 2.3.2 Metabolismo e detoxificação do herbicidaHerbicidaHerb.OH Fe 3+.Herbicida fp2NADPH e-e-e-e- Fe 2+.Herb. CO CO hv O2O2O2O2 O2O2O2O2 Cyt. b5 fp1NADH e-e-e-e- Fe 3+. Herb. O 2 = Fe 3+. Herb. O Fe 3+ O2O2O2O2 H2O2H2O2H2O2H2O2 XOOH H2OH2OH2OH2O

53 . 2O 2 2O 2 2H 2 O 2 2H + + 2H 2 O Destruição das membranas Cl NN N+N+ N+N+ Paraquat e-e- Paraquat Redução da concentração do herbicida no local de ação (compartamentalização)

54 Cl N+N+ N+N+ Paraquat ++ Vacúolo Cl NN e-e- Paraquat... 2O 2 2O 2 2H 2 O 2 2H + + 2H 2 O Redução da concentração do herbicida no local de ação (compartamentalização)

55 2.3.4 Superprodução do alvo de ação do herbicida

56 2.4 Casos de resistência registrados no Brasil (situação mundial e brasileira) 260 biótipos resistentes, 156 espécies (94 dicot e 62 monocot) em mais de campos

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59 Plantas Daninhas Resistentes a Herbicidas no Brasil Espécie Nome ComumAno Mecanismo de ação 1. Bidens pilosaPicão-preto1993 Inibidores da ALS 2. Bidens subalternansPicão-preto1996 Inibidores da ALS 3. Brachiaria plantaginea Capim-marmelada1996 Inibidores da ACCase 4. Cyperus difformis Junquinho 2000Inibidores da ALS 5. Echinochloa crus-galli Capim-arroz1999Auxinas sintéticas 6. Echinochloa crus-pavonisCapim-arroz1999Auxinas sintéticas 7. Euphorbia heterophylla Amendoim-bravo 1992Inibidores da ALS 8. Fimbristylis miliacea Cominho 2001Inibidores da ALS 9. Sagittaria montevidensis Sagitária1999Inibidores da ALS 10. Digitaria ciliares Capim-colchão2001Inibidores da ACCase

60 Planta daninha de “inverno” Planta daninha de “verão” Entrelinha – não usar grade ou herbicidas roçadeira Brot.Flor.FrutificaçãoColheita Jun.Jul.Ago.Set.Out.Nov.Dez.Jan.Fev.Mar.Abr.Mai. Plena floradagalafuji linha – herbicidas pré pós (até 45 dias da colheita

61 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

62 Muito obrigado Pedro Jacob Christoffoleti ESALQ/USP - Dep. Produção Vegetal Piracicaba - SP - C. P Fone – Ramal


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