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Cross-resistance
is resistance by a weed biotype to two or more herbicides due to
the presence of a single resistance mechanism.
Multiple resistance
refers to situations where resistant biotypes possess two or more
distinct resistance mechanisms.
Negative cross-resistance
is the increased susceptibility of a herbicide resistant biotype to
some herbicides with other modes of action or degradation pathways.
Genetically modified (GM) herbicide resistant crops
possess inserted genes that confer herbicide resistance in a previously
susceptible crop.
Wie wird man resistent ?Die Resistenzrate hängt von Wildkraut- und Herbizid-Charakteristika ab
Pflanze: Genfrequenz, Lebensdauer in der Diasporenbank, Fitness nach Anwendung
Herbizid: Effektivität, Dosis, Applikationshäufigkeit, Bodenpersistenz
Modelle: Selektionsdruck erzeugt Resistenzen (Dosis, Häufigkeit, Effizienz)
Selektionsdruck senken:
- durch Mischungen mit unterschiedlichen Wirkorten
- durch Mischungen mit unterschiedlichem Abbauverhalten
- durch Herbizidrotation, unter Einbezug persistenter Herbizide
Dosisreduktion erhöht das Risiko der Resistenz, bei Rotation kommt das Risiko der
Polygenischen Resistenz hinzu (resistance that depends on more than one gene and appears as progressively increasing resistance levels from one plant generation to the next (Cousens and Mortimer 1995).
Resistenz für Triazine 10-18, für Sulfonylharnstoffe 10-6 Pflanzen pro ha.
Xenobiotika-Entgiftung in Pflanzen und Tieren
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Xenobiotic,Pesticide
Phase I:activation
Phase II:detoxification
Phase III:metabolism/excretion
oxidation, reduction, hydrolysis
conjugation:glutathionesugarsamino acids
cleavage, transport,residue formation
H Institute for Soil Ecology Shimabukuro 1979, Sandermann 1992, Schröder 1997
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Erste Bestätigung für das Modell: Diclofop-Methyl
Shimabukuro et al. 1979
Phase I: P450 Monooxygenasen
http://www.drnelson.utmem.edu http://www.biobase.dk/P450/
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
P450 Gene: A. thaliana 239, Chlamydomonas 38, ca. 80 Familien
P450 Isoformen in Weizen für die Entgiftung von Isoproturon
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Häufigste Reaktionen:HydroxylierungenRing-HydroxylierungenDemethylierungenDesaminierungen
Glycosyltransferasen – machen die Welt farbig, würzig und gefährlich...
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Zur Biochemie der Glucosid-Bildung
X + UDP-Zucker X-Glycoside + UDP (Ciamician & Ravenna 1916, Yamaha & Cardini 1960, Harborne 1964, Corner & Swain 1965)
Flavonoide, Anthocyanine, Betalaine, Alkaloide (Schulz & Weißenböck, 1985; Bokern et al. 1991)
Phenylpropanoide, Hydroxyzimtsäuren (Barz et al. 1985; Stafford& Ibrahim 1991)
Xeno + UDP-Glucose Xeno-Glucoside + UDP
Chlorphenole (Miller 1941)
Zahlreiche Pestizide & Agrochemikalien (Frear et al. 1974 ...
X-Glucoside + Nucleotide X + Glc-Nucleotide(Sutter & Grisebach 1975, Heilemann 1990)
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
meist ß-1-D-Bindungselten ß-3 und ß-5-KonjugateSignal für Transport ?Hydrolyse häufig (Glc.ase),Kompartimentierung !UDP-Glucose
Xenobiotikuum-OH, -NH, -SH, COOH
Glucosyl-Transferase
UDP
O-Glucoside
N-Glucoside
S-Glucoside
Glc-Ester
Eigenschaften der Glycoside
• Glycoside sind erheblich weniger reaktiv als Aglyca• Glc. sind hydrophil• Glc. dienen der Entgiftung endogener Metaboliten • Glc. können kompartimentiert werden • Physiologische Rolle: Pathogenabwehr, Allelopathie,
Signalling
(Hösel 1981, Bartz 1985, Matile 1984, Rhodes 1985, Balke Schulz 1987)
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Maize
Potato
Rape
B. rapawheat (s)wheat (p)wheat (r)
Soya ccwheat cc
0
5
10
15
20
activity [pkat/mg]
PCP O-GTPCP O-GTDCA N-GTDCA N-GT
GT activities in wheat cell culture
days of growth
0 2 4 6 8 10 12 14 16
GT
activ
ity [p
kat/m
g]
0
2
4
6
8
10
12
14
fresh
wei
ght [
g]
0
1
2
3
4
5
6MH PCP DCA FWt
Wheat plants
BBCH Code [age]
GT
activ
ity [p
kat/m
g]
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
MH PCP DCA
roots ofBBCH 59
seedlingBBCH 12
tilleringBBCH 32
floweringBBCH 59
ripeningBBCH 72
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Metribuzin Soybean N-glucoside Smith & Wilkinson 19742,4-D Tobacc o ß-glucoside Nakamura et al. 1985Metribuzin Potato sugar conjugate Gawronski et al. 1985Bentazon Soybean 6-O /8-O-gluc. Sterling & Balke 1989Mecoprop Chickweed ester... Coupland et al. 1990
Oligo-Glucoside unlöslich-Glu-Glu- etc. immobil
-Arabinose „gebundener Rückstand“-Xylose in der Zellwand
Malonyl-Glucoside in der Vakuolenicht metabolisierbar
Malonylierung auch direkt lösliche Speicherform
Mono-Glycoside
Sekundärkonjugation und Malonylierung
Glutathion-Konjugation – die Lösung für viele Problemstoffe
(A): Nucleophilic Displacement
(B) Nucleophilic Addition (Michael-Reaction)
(C) Conjugation at Non-Carbon-Sites
IBOe-ARB H
Verfügbarkeit von Glutathion(analoga)Elektrophile Funktion am Target-MolekülPräsenz der korrekten GST- Isoform
Glutathion S-Transferasen
4 Familien40 Gene in A. thaliana50 % sequenzhomologorganspezifisch
0,0
0,2
0,4
0,6
pro t
ein
(mg/
ml)
0
4
8
12
16L3 B
GST
act
ivity
(nm
ol m
in -1
ml -
1 )
4
5
6
7L2
pH
pH gradient
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 260,0
0,2
0,4
0,6
fraction number
T3
T1
prot
ein
(mg/
ml)
protein
0
5
10
15
20
GST
act
ivity
(nm
ol m
in - 1
ml -
1 )
4
5
6
7
T2
pH C
0,0
0,2
0,4
0,6
J3
J2a
prot
ein
(mg/
ml)
0
10
20
30
40
GST(CDNB) activity GST(DCNB) activity
GST
act
ivity
(nm
ol m
in - 1
ml -
1 )
4
5
6
7 J2b
J1
pH A
dimere Proteine50 kDIEP 4-6, Isoformenhochspezifisch f. GSH
IBOe-ARB H
Induzierbarkeit der GST in Pflanzen
IBOe-ARB H
-50
0
50
100
150
200
CGA 185072 fenc lorim fluxofenim benoxacor
CDNB -K onjugation
GST
Akt
ivitä
t [ %
] übe
r Kon
trolle
0 100 200 300 400 500
0
200
400
600
800 DCNB -K onjugation
K onz entration des S afeners [µM]
Natürliche Funktion: Konjugation von Naturstoffen und Hormonen ?
Kooperation: G. Weißenböck, Köln, M. Klein, Zürich IBOe-ARB H
Natürliche Funktionen der GST• Entgiftung von Lipidperoxiden
Mannervik et al. 1989, Williamson & Beverly 1987
• Konjugation von Produkten des SekundärstoffwechselsDiesperger & Sandermann 1979, Edwards & Dixon 1991, Dean et al.
1995
• Konjugation von Phytohormonen: IAA, Ethylen, GALamoureux & Frear 1987, Meyer 1991, Takahashi & Nagata 1992,
Palme et al. 1993
• Konjugation von DNA-AbbauproduktenMorgenstern & DePierre 1986
• Entgiftung von Pilztoxinen/PathogenabwehrDudler et al. 1991, Mauch & Dudler 1992
• Regulation des GSH-PoolsLamoureux & Rusness 1989
• Transport von (Thio)Phenol, Chlorophyllin, AnthocyanenMartinoia & al. 1992, Singh 1988, Marrs & al. 1995
• Erhöhung der TrockentoleranzDhinsa 1991
• Antioxidatives SchutzproteinLevine et al. 1995
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
S -D in itrobenzen e -G S [µ M ]
0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5
GR
Inhi
bitio
n [%
]
-20
0
20
40
60
80
100
120 Reaktivität mit BiomolekülenRevertierbarkeit der KonjugationStörung der Enzym-KatalyseDNA-AddukteStörung von Signalwegen
IBOe-ARB H
Wohin mit dem Rest ? – Phase III
Kompartimentierung als Teil eines übergeordneten Konzepts: die Phase IV
Entgiftung und SignalwirkungAblagerung in der Vakuole / Interzelluläre SignaleEinbau in Zellwand: Tod der ZelleVerflüchtigungExsudation
3
Xenobiotic (X)
X + GSH
XGSXGS X Cys
Glu+Gly
X Cys+Glu
XGS XGS?
?
GST
mGST
XCysGlu
XCys
Nuc.CS-Lyase/DeaminaseSAM-CH -Transferase
Malonyl/Glucosyl-Transferase
Apoplast
gebundene Rückstände, Exkretion
3
Vacuole
PS, H
CAR.
from: Schröder 1997
?
IBOe-ARB H
Ubiquitärer Stoffwechselweg, entgiftet viele Pestizide
Resistenz gegenüber Pestiziden in Unkräutern Zwischenlagerung entgifteter Konjugate in der VakuoleKonjugate werden transportiertNatürliche Funktion: Konjugate sind eventuell Signale
für pflanzliche AbwehrMetaboliten werden gebunden oder ausgeschieden
Wirkungen auf Bodenbakterien und Mykorrhiza ?Flüchtige Metaboliten in der Atmosphäre
Allelochemikalien aus diesem Stoffwechselweg ?Einfluss auf die Rhizosphäre – Forschungsbedarf
Entgiftung von Xenobiotika durch Pflanzen - Zusammenfassung
Pre-emergence herbicide
Residues formed with soil;Ground water pollution
Post-emergence herbicide
soil applicationlong residence timehigh sorptivityLog KOW 0 to 4xylem mobile, systemic
plant applicationrapid photodegradationhigh cuticle penetration rateLog KOW -2 to 2phloem mobile, systemic
Residues formed with plant matter;Danger of surface water pollution
Unterschiede in der Applikation
Wohin gelangen Herbizide in der Natur?
• Normale Aufwandsmengen • Normale Applikation• Benetzung der Zielpflanzen• Benetzung der Nutzpflanzen• Photochemie• Bodenpenetration• Migration in Oberflächengewässer• Einfluss auf des Grundwasser
Cellulasen:Endo-ß-1,4-glucanaseCellobiohydrolaseß-Glucosidase
Pektinasen:Endo-Exo-PectolyaseEndo-Exo-PolygalacturonasePektin-Methylesterase
ß-1,4-Xylanaseß-Xylosidaseα-ArabinofuranosidaseArabinaseα-Glucosidaseß-1,3-Glucanaseß-1,3-ß-1,4-Glucanaseα-Galactosinaseß-Galactosinaseß-1,4-Galactosinaes
LigninasenProteasenPhospholipasen
H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie
Gebundene Rückstände in der Zellwand
Wie lange bleibt Lignin stabil ?
• Bis ein Pilz Hunger hat:• Phanerochaete „durchsucht“ Biomasse nach
Stickstoff
Lysimeter in der GSF
• Nicht gefüllt sondern gestochen...
• 4 typische bayerische Böden (3 T)
• größte Anlage in Deutschland
Entscheidungen sind zu treffen…• Bei der derzeitigen Bevölkerungsentwicklung ist nicht damit zu
rechnen, dass Nahrungsmittel ohne Pestizideinsatz erzeugt werden können.
• Adäquate Applikationsmethoden, zielsichere Anwendung und Risikoforschung sind unabdingbar
• Wissen über die Wirkung in Nutz- und Nahrungspflanzen und in Zielorganismen ist vonnöten
• Ohne pflanzenphyisologische Forschung und Verständnis der beteiligten Prozesse ist kein sicherer Einsatz von Wirkstoffen möglich
• Der Verbleib in der Umwelt, das Risikopotenzial und die toxikologischen Eigenschaften müssen bekannt sein
• Künftige Pflanzenforscher müssen nach neuen und sicheren Wirkorten für Herbizide forschen, damit die Nahrungsproduktion verbessert und umweltfreundlicher gemacht werden kann.