Des chercheurs INRAE traquent les mutations de résistance aux herbicides à l’aide du séquençage à très haut débit. Newsletter SPE (Département INRAE Santé des Plantes et Environnement) n°19, 31 aout 2021

Les inhibiteurs de l’ALS en échec face à l’ambroisie à feuilles d’armoiseEn France, la résistance aux herbicides inhibiteurs de l’acétolactate-synthase (ALS) émerge chez l’ambroisie. Très utilisés car applicables sur la majorité des grandes cultures, ces produits phytosanitaires généralistes inhibent l’ALS, une enzyme clé des végétaux dans la synthèse d’acides aminés essentiels. Ils constituent la deuxième famille de désherbants la plus employée, et en paient le tribut : la résistance à cette classe d’herbicides a été identifiée dans plus de 160 espèces d’adventices, ou « mauvaises herbes ». Récemment rajoutée à cette liste, l’ambroisie à feuilles d’armoise (Ambrosia artemisiifolia) est une…

La résistance du vulpin des champs aux anti-graminées dans les blés en France. La métabolisation : son importance crée une situation à risque

National audience; La résistance du Vulpin aux anti-graminées inhibiteurs de l'acétyl-coenzyme carboxylase ACC],« fops » et « dimes ») constitue un problème de désherbage majeur en France. 243 populations de vulpin (116 essentiellement dans le nord-est de la France, 127en Côte-d'Or) ont été analysées à l'aide de tests biologiques de sensibilité à des inhibiteurs de l'ACC et de tests moléculaires d'identification de résistances de cible. Des résistances ont été identifiées dans 241 des 243 populations. L'essentiel (plus de 75%) des résistances aux deux « fops» les plus utilisés est dû à des résistances par métabolisation.Ces résistances sont les plus préoccupantes en terme de gestion chimiqu…

Molecular Bases for Sensitivity to Tubulin-Binding Herbicides in Green Foxtail

Abstract We investigated the molecular bases for resistance to several classes of herbicides that bind tubulins in green foxtail (Setaria viridis L. Beauv.). We identified two α- and two β-tubulin genes in green foxtail. Sequence comparison between resistant and sensitive plants revealed two mutations, a leucine-to-phenylalanine change at position 136 and a threonine-to-isoleucine change at position 239, in the gene encoding α2-tubulin. Association of mutation at position 239 with herbicide resistance was demonstrated using near-isogenic lines derived from interspecific pairings between green foxtail and foxtail millet (Setaria italica L. Beauv.), and herbicide sensitivity bioassays combine…

Effects of ALS mutations endowing herbicide resistance on ALS activity and herbicide sensitivity in Alopecurus myosuroides (black-grass) and Papaver rhoeas (poppy)

Le séneçon commun résiste aux inhibiteurs de l’ALS

SPE Pôle GEAPSI; Contexte - Suite à des échecs ou des difficultés de désherbage du séneçon commun à l’aide d’herbicides inhibiteurs de l’ALS (groupe HRAC B) en blé ou en vigne, l’hypothèse de la présence d’une résistance a été étudiée. Etude - Des tests biologiques ont été effectués sur trois populations provenant de deux parcelles « à problèmes » de blé et d’une de vigne. Des tests PCR ont ensuite permis de rechercher la présence de mutations causant une résistance aux herbicides inhibiteurs de l’ALS dans trente-trois parcelles de blé et treize parcelles de vigne supplémentaires. Résultats - Les tests biologiques ont montré l’existence d’une résistance à tous les inhibiteurs de l’ALS étudi…

Herbicides : la résistance existait avant eux... La preuve - L’analyse par PCR de spécimens de vulpin conservés dans des collections d’herbiers le prouve : une mutation à l’origine d’une résistance à des herbicides lancés en 1978 existait déjà en... 1888

➧ QUESTION - Des gènes de résistance aux herbicides peuvent-ils déjà exister dans des populations de mauvaises herbes n'ayant jamais été traitées avec des herbicides ? Pour le savoir, une mutation conférant une résistance à des herbicides a été recherchée dans des parts d'herbiers contenant des spécimens de vulpin ( Alopecurus myosu roides ) collectés entre 1788 et 1975. ➧ RÉPONSE - Un spécimen sur les 734 analysés, collecté en 1888, s'est révélé contenir une mutation au codon 1781 de l'AC-Case qui confère une résistance à des inhibiteurs de l'ACCase (« fops », « dims », « den »). Ceci démontre clairement, si besoin en était encore, que la résistance n'a pas besoin d'herbicides pour exister…

Herbicides do not fabricate resistance: evidence from herbaria collections

Can herbicide resistance genes be present in weed populations that have never been sprayed with herbicides? In order to answer this question, the presence of a mutation endowing herbicide resistance has been investigated in black-grass (Alopecurus myosuroides) herbarium specimens collected between 1788 and 1975. Among the 734 specimens investigated, one that had been collected in 1888 contained a mutation at ACCase codon 1781 that confers resistance to ACCase-inhibiting herbicides (APPs, CHDs and DEN). This clearly demonstrates that herbicides do not fabricate resistance. Resistance is naturally present in weed populations the fields prior to herbicide use. Herbicides only reveal pre-existi…

An isoleucine residue within the carboxyl-transferase domain of multidomain acetyl-coenzyme A carboxylase is a major determinant of sensitivity to aryloxyphenoxypropionate but not to cyclohexanedione inhibitors

Abstract A 3,300-bp DNA fragment encoding the carboxyl-transferase domain of the multidomain, chloroplastic acetyl-coenzyme A carboxylase (ACCase) was sequenced in aryloxyphenoxypropionate (APP)-resistant and -sensitive Alopecurus myosuroides (Huds.). No resistant plant contained an Ile-1,781-Leu substitution, previously shown to confer resistance to APPs and cyclohexanediones (CHDs). Instead, an Ile-2,041-Asn substitution was found in resistant plants. Phylogenetic analysis of the sequences revealed that Asn-2,041 ACCase alleles derived from several distinct origins. Allele-specific polymerase chain reaction associated the presence of Asn-2,041 with seedling resistance to APPs but not to C…

Next-Generation Sequencing (NGS) application to the detection of mutations endowing herbicide resistance

The Next Generation Sequencing (NGS) technologies offer tremendous possibilities for accurate detection of mutations endowing resistance. Yet, their use for this purpose has not emerged in crop protection. We aim at promoting NGS use for herbicide resistance diagnosis. In an exemplary study, we describe a simple procedure for this purpose, useable by virtually any scientist and implementing freely accessible programs for the analysis of NGS data. Three PCR amplicons encompassing seven codons of the ALS gene that are crucial for herbicide resistance were sequenced using non-quantified pools of crude DNA extracts from 40 plants in each of 28 field populations of two species of barnyard-grass:…

Molecular Bases for Sensitivity to Acetyl-Coenzyme A Carboxylase Inhibitors in Black-Grass

Abstract In grasses, residues homologous to residues Ile-1,781 and Ile-2,041 in the carboxyl-transferase (CT) domain of the chloroplastic acetyl-coenzyme A (CoA) carboxylase (ACCase) from the grass weed black-grass (Alopecurus myosuroides [Huds.]) are critical determinants for sensitivity to two classes of ACCase inhibitors, aryloxyphenoxypropionates (APPs) and cyclohexanediones. Using natural mutants of black-grass, we demonstrated through a molecular, biological, and biochemical approach that residues Trp-2,027, Asp-2,078, and Gly-2,096 are also involved in sensitivity to ACCase inhibitors. In addition, residues Trp-2,027 and Asp-2,078 are very likely involved in CT activity. Using three-…

Résistances aux herbicides : panics dans le riz !

SPE GEAPSI CT1; Des difficultés de désherbage à l’aide d’herbicides inhibiteurs de l’ALS (groupe B du HRAC) ayant été notées en riziculture, en Camargue (France), sur des panics, l’hypothèse d’une sélection de résistance a été étudiée. Des prélèvements ont été effectués sur 28 parcelles à raison d’une feuille de 40 plantes différentes par parcelle. Des tests ADN ont permis d’identifier les espèces en présence. Puis des tests PCR ont permis de rechercher la présence de mutations entraînant des résistances aux herbicides inhibiteurs de l’ALS. Vu le nombre d’analyses à réaliser (7 codons sur 40 plantes x 28 parcelles), le séquençage « 454 » a été utilisé. Deux espèces de panics ont été identif…

Résistances aux herbicides : au Nord, c’étaient les Laiterons !

SPEGESTAD; Contexte - Après des échecs de désherbage de laiteron épineux à l’aide d’herbicides inhibiteurs de l’ALS (groupe HRAC B) en culture d’endives, l’hypothèse de la présence d’une résistance à ces herbicides a été étudiée. étude - Des tests biologiques avec un herbicide du groupe B (rimsulfuron) ont été effectués sur des populations provenant de parcelles « à problème ». Le gène de l’ALS a également été séquencé afin de rechercher la présence de mutations causant une résistance aux herbicides inhibiteurs de l’ALS dans ces populations. résultats - Les tests biologiques ont montré l’existence d’une résistance au rimsulfuron dans les trois parcelles étudiées. Des mutations au codon 197 …

Universal primers for PCR-sequencing of grass chloroplastic acetyl-CoA carboxylase domains involved in resistance to herbicides

Summary Primers were designed to amplify two regions involved in sensitivity to herbicides inhibiting the plastidic acetyl-CoA carboxylase (ACCase) from grasses (Poaceae). The first primer pair amplified a 551-bp amplicon containing a variable Ile/Leu codon at position 1781 in Alopecurus myosuroides sequence. The second primer pair amplified a 406-bp amplicon containing four variable codons (Trp/Cys, Ile/Asn, Asp/Gly, Gly/Ala) at positions 2027, 2041, 2078 and 2096, respectively, in A. myosuroides sequence. Both primer pairs amplified the targeted fragments from genes encoding plastidic ACCases, but not from the very similar genes encoding cytosolic ACCases. Clear DNA sequences were obtaine…

Nucleotide Variability at the Acetyl Coenzyme A Carboxylase Gene and the Signature of Herbicide Selection in the Grass Weed Alopecurus myosuroides (Huds.)

Acetyl coenzyme A carboxylase (ACCase) is the target of highly effective herbicides. We investigated the nucleotide variability of the ACCase gene in a sample of 18 black-grass (Alopecurus myosuroides [Huds.]) populations to search for the signature of herbicide selection. Sequencing 3,396 bp encompassing ACCase herbicide-binding domain in 86 individuals revealed 92 polymorphisms, which formed 72 haplotypes. The ratio of nonsynonymous versus synonymous substitutions was very low, in agreement with ACCase being a vital metabolic enzyme. Within black grass, most nonsynonymous substitutions were related to resistance to ACCase-inhibiting herbicides. Differentiation between populations was stro…

Mutant ACCase alleles endowing herbicide resistance have a direct effect on seed germination

Germination and emergence dynamics and herbicide resistance are adaptive traits crucial for weed persistence in arable fields. Herbicide resistance alleles can have pleiotropic effects on other traits. We investigated the pleiotropic effects of acetyl-coenzyme A carboxylase (ACCase) alleles L1781, N2041 or G2078 on seed germination and seedling emergence in the grass weed Alopecurus myosuroides (black-grass). We used black-grass populations with homogenised genetic backgrounds that segregated for L1781, N2041 or G2078 ACCase alleles. In two series of experiments, germination dynamics and seedling growth were compared among seeds containing embryos carrying no, one or two copies of a given m…

High-throughput detection of ALS-based resistance in the tetraploid common groundsel (Senecio vulgaris)

The Next Generation Sequencing (NGS) technologies offer tremendous possibilities for detecting and quantifying mutations endowing herbicide resistance in numerous samples. This would greatly assist resistance management by allowing monitoring numerous fields and/or analysing massive numbers of individual weeds. Yet, NGS use for herbicide resistance diagnosis purpose is very slow to emerge. Herein, we assessed the feasibility of herbicide resistance diagnosis using Illumina sequencing that is currently one of the leading NGS technology. Three PCR amplicons encompassing the eight ALS codons crucial for herbicide resistance (122, 197, 205, 376, 377, 574, 653 and 654) were amplified for both S.…

Résistances aux herbicides : les estivales en force !

Contexte - Des cas de moindre efficacité de désherbage à base d’herbicides inhibiteurs de l’ALS ont été signalés en cultures de printemps. Des tests ont été réalisés pour savoir s’il s’agit de résistances et, si oui, dues à quel mécanisme. PSD sur maïs - Cinq populations de graminées estivales (deux de panic pied-de-coq, une de sétaire verte, deux de digitaire sanguine) ont été prélevées dans des parcelles de maïs où le désherbage n’avait pas donné satisfaction. Des plantes résistantes ont été identifiées dans toutes ces populations. Le mécanisme a été identifié. Il s’agit dans tous les cas de RNLC, résistance non liée à la cible. Ambroisie - Une dizaine de populations d’ambroisie à feuille…