Устойчивость сорняка водяной конопли к гербицидам: механизмы и вызовы
Как и устойчивые к антибиотикам бактерии, некоторые устойчивые к гербицидам сорняки невозможно уничтожить доступными химикатами. Проблема затрагивает не просто отдельные сорняки — они угрожают продовольственному снабжению, конкурируя с сельскохозяйственными культурами.
Сорняк водяная конопля, представляющий наибольшую угрозу для производства кукурузы и сои на Среднем Западе США, выработал устойчивость почти ко всем типам гербицидов.
Учёные из Университета Иллинойса исследуют механизмы этой устойчивости. Они обнаружили, что сорняк может усиливать выработку детоксифицирующих ферментов, которые нейтрализуют определённые гербициды до того, как те нарушат ключевые клеточные процессы. Этот механизм, известный как метаболическая устойчивость, сложно идентифицировать и бороться с ним, поскольку может быть задействовано сотни ферментов.
В двух недавних исследованиях учёные объяснили механизмы метаболической устойчивости водяной конопли к трём широко используемым гербицидам, приблизившись к пониманию генетических основ.
"Эти популяции водяной конопли адаптируются и развивают невероятную способность метаболизировать всё. Это плохая новость, но, по крайней мере, мы лучше понимаем механизмы. В конечном счёте это понимание потенциально можно использовать, чтобы обратить метаболический арсенал водяной конопли против неё самой", — говорит профессор Дин Ричерс, соавтор обоих исследований.
Устойчивость к гербицидам Группы 15
В прошлом году исследователи впервые в мире задокументировали устойчивость водяной конопли к гербицидам Группы 15 (например, S-метолахлору), которые нарушают производство жирных кислот. Теперь команда под руководством аспиранта Сета Строма подтвердила, что механизмом является метаболическая устойчивость (Pest Management Science).
Исследование предполагает, что два класса детоксифицирующих ферментов — GSTs и P450s — нейтрализуют S-метолахлор в устойчивых растениях. Кукуруза естественным образом использует GSTs для детоксикации этих гербицидов. Водяная конопля не только имитирует этот механизм, но и развила дополнительный способ избежать вреда от S-метолахлора.
Связь устойчивости к атразину и мезотриону
В отдельном исследовании (Weed Science) аспирант Кип Джейкобс показал перекрытие генов, ответственных за метаболическую устойчивость к атразину и мезотриону (ингибитору HPPD).
В течение последних 10 лет полевая устойчивость к мезотриону у водяной конопли всегда сопровождалась метаболической устойчивостью к атразину. Новые результаты подтверждают, что гены, контролирующие устойчивость к этим двум химикатам, являются общими или связанными.
"Всякий раз, когда мы выясняем, задействованы ли в устойчивости к мезотриону два, три или четыре гена, наши результаты говорят, что одним из них должен быть ген метаболической устойчивости к атразину. Мы знаем, какой это ген", — поясняет Ричерс.
Необходимость комплексного подхода
Даже если исследователям удастся проследить каждый признак устойчивости до генетического уровня, это не гарантирует лёгкого решения проблемы. На рынок не поступают новые гербициды с новыми механизмами действия (sites-of-action), поэтому фермерам необходимо рассматривать альтернативные методы борьбы с сорняками.
"При метаболической устойчивости наша предсказуемость практически нулевая. Мы не имеем понятия, к чему устойчивы эти популяции, пока не поместим их в контролируемые условия. Это ещё один пример того, что нам нужна более интегрированная система, а не только химия. Мы можем по-прежнему использовать химикаты, но должны делать что-то дополнительно", — говорит доцент Аарон Хейгер, соавтор исследования в Pest Management Science. — "Нам необходимо переосмыслить долгосрочное управление водяной коноплей".