I en artikel publicerad i tidskriften Communications Biology , forskare från Washington University i St. Louis och University of Arkansas rapporterar att en växtskadegörare som kallas weedy rice har blivit allmänt herbicidresistent i regioner där herbicidresistent ris planteras. Studien belyser utmaningar som amerikanska risbönder står inför när de slåss mot en ogräsfiende som är nära besläktad med en önskvärd växtväxt.

Den genetiska undersökningen genomfördes med prover som samlats på risfält i Arkansas, där nästan 50 % av landets ris odlas.

Weedy rice är en närbesläktad kusin till grödris. Det konkurrerar aggressivt med odlat ris på fältet, vilket leder till förlust av skörd och minskningar i skördekvalitet som äventyrar marknadsvärdet. Angrepp av ogräsris orsakar uppskattningsvis 45 miljoner dollar i ekonomiska förluster i USA varje år och hundratals miljoner dollar över hela världen.

Biologer använde helgenomsekvenser av 48 samtida ogräsiga risväxter för att visa hur herbicidresistens utvecklades genom genflödet från risgröda. Nästan alla andra fall av herbicidresistens i jordbruksogräs beror på urval av toleranta genotyper hos ogräsarten. Bara 20 år efter att herbicidresistent ris först antogs i södra USA, har majoriteten av fälten med en historia av herbicidresistent risodling ogräsiga risplantor som också är herbicidresistenta.

"Under sin nästan 200-åriga historia i USA hade ogräsaktigt ris en mycket låg grad av korsning med odlat ris", säger Marshall Wedger, en postdoktoral forskarassistent i biologi i konst och vetenskap vid Washington University och första författare till studien . "Vi fann att amerikanskt ogräsaktigt ris har hållit i sig genom herbicidtrycket med överlevnaden av de få växter som korsar varandra, och följaktligen förvärvat herbicidresistensegenskapen."

"Teknologiska förändringar i amerikansk risodling sedan 2000-talet har lett till en fullständig genetisk revolution i sammansättningen av det ogräsiga riset som angriper amerikanska fält", säger Kenneth Olsen, professor i biologi vid Washington University och senior författare till studien.

"Under de senaste 20 åren har ogräsartat ris gått från att vara väldigt genetiskt skild från amerikanska grödor till att nu för tiden mestadels härröra från gröda-ogräshybridisering," sa Olsen. "Gräset tar tag i vissa egenskaper från grödan som är fördelaktiga för dem, inklusive herbicidresistens."

ogräs tar sitt ögonblick

Ogräsris är ett gissel av odlad risproduktion runt om i världen. Men fram till början av 2000-talet korsades ogräsaktigt ris i amerikanska fält sällan med de sorters ris som vanligtvis odlades i detta land.

Grödris och ogräsris är samma arter, så de kan korsa sig, eller hybridisera. Deras hybridiseringshastighet är vanligtvis låg – i allmänhet mindre än 1 % – eftersom ris är självpollinerat.

Men något hände som förändrade den månghundraåriga dynamiken mellan dessa två närbesläktade växter. Från och med början av 2000-talet antogs två nya sorters ris på amerikanska fält. Det ena var ett nytt hybridris som erbjöd avsevärt förbättrad avkastning jämfört med traditionella inavlade (självpollinerande) rissorter. Den andra var en ny typ som hade justerats för att vara tolerant mot en viss typ av ogräsmedel. Dessa så kallade Clearfield-sorter gjorde det möjligt för bönder att plantera ris och sedan applicera kemikalier på sina fält för att döda ogräsartat ris och andra jordbruks-ogräs utan att skada grödan.

Så tidigt som 2004, bara två år efter att det nya riset antogs lokalt, rapporterade Arkansas bönder redan några fall av herbicidresistens i ogräsartat ris. Sådana resistenta växter var sannolikt utkorsningar med herbicidresistent ris.

"Situationen är något analog med människors hälsa och uppkomsten av antibiotikaresistenta bakteriella patogener. Utbredd användning av antibiotika slutar med att starkt välja för den snabba utvecklingen av de läkemedelsresistenta stammarna," sade Olsen. "Med ogräsbeständigt ris upptäcktes ogräsresistenta ogräs bara ett par år efter det att herbicidresistent ris först kommersialiserades."

Hur hände det? För att genflödet från en gröda till en ogräsartad släkting ska inträffa måste de två växa tillräckligt nära fysiskt för pollenöverföring.

"De herbicidresistenta ogräsiga risväxterna är produkterna av korsning med herbicidtoleranta grödor", säger Nilda Roma Burgos, professor i ogräsfysiologi vid University of Arkansas och medförfattare till studien. "Utkorsning sker när ogräsartat ris inte kontrolleras till 100 % av ogräsmedlet och de återstående ogräsiga risplantorna blommar samtidigt som den herbicidtoleranta risgrödan."

Ris och ogräsris växer förvisso på samma fält. Det var dock hybridrisets irriterande vana att producera frivilliga – det vill säga framgångsrikt utveckla och tappa frön som övervintrar och sedan dyker upp som nya växter under efterföljande år – som öppnade en dörr för ogräsaktigt ris.

De frivilliga grödan växte upp med varierande egenskaper, inklusive förändringar i blomningstid som gjorde det mycket mer sannolikt att de skulle byta pollen med ogräsaktigt ris.

"Som en avdomesticerad ogräsartad släkting har ogräsris alltid kunnat korsas ut med odlat ris. Baserat på våra resultat är denna förmåga att korsa sig det som ledde till det mesta av herbicidresistensen som vi ser idag", sa Wedger.

Ett unikt utmanande år för odlare

Resultaten från denna nya studie rapporteras under ett unikt utmanande år för Arkansas risbönder. Problem med den globala försörjningskedjan, såväl som ökningar i kostnaderna för viktiga grödor som gödningsmedel, har gjort det svårare och dyrare att odla ris.

Samtidigt har den globala klimatförändringen lokala effekter på tidpunkten för när ris kan planteras. I år var bönderna tvungna att tränga in plantering som vanligtvis sker under en period av fyra veckor in i ett mycket förkortat fönster. Även i år var natttemperaturerna i nordöstra Arkansas envist höga under månaderna juli och augusti, med möjliga negativa effekter på risskörden. Bara tiden kommer att utvisa vad skörden 2022, som börjar denna månad, kommer att ge.

En sak är dock säker:Den snabba anpassningen av ogräsartat ris till applicering av herbicider är ytterligare ett exempel på farorna med att förlita sig på enstaka metoder för bekämpning av skadedjur i jordbruket, sa studieförfattare.

"Hur snabbt en resistent rispopulation byggs upp till en punkt där herbiciden inte längre är användbar beror på hur producenten hanterar den herbicidtoleranta risteknologin", sa Roma Burgos. "Det finns riktlinjer för bästa förvaltningspraxis som hjälper odlare att undvika resistensutveckling under lång tid, om de implementeras."

"Precis som i fallet med antibiotikaresistens kommer ökningen av resistens mot just denna herbicid att mötas med en ny teknik som förlitar sig på en ny herbicid," sa Wedger. "Nya herbicidresistenta sorter är redan under utveckling, så jag förväntar mig att denna process kommer att upprepas." + Utforska vidare

Wedy rice är ett oavsiktligt arv från Green Revolution