In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Communications Biology , rapporteren wetenschappers van de Washington University in St. Louis en de University of Arkansas dat een gewasplaag genaamd onkruidrijst op grote schaal herbicideresistent is geworden in regio's waar herbicideresistente rijst wordt geplant. De studie belicht de uitdagingen waarmee Amerikaanse rijstboeren worden geconfronteerd wanneer ze vechten tegen een onkruidachtige vijand die nauw verwant is aan een wenselijke gewasplant.

Het genetische onderzoek is uitgevoerd met monsters die zijn verzameld in rijstvelden in Arkansas, waar bijna 50% van de rijst van het land wordt verbouwd.

Weedy rijst is een nauw verwante neef van rijst. Het concurreert agressief met gecultiveerde rijst in het veld, wat leidt tot opbrengstverlies en verminderingen van de oogstkwaliteit die de marktwaarde in gevaar brengen. Onkruidplagen met rijst veroorzaken elk jaar naar schatting $ 45 miljoen aan economische verliezen in de Verenigde Staten en honderden miljoenen dollars wereldwijd.

Biologen gebruikten genoomsequenties van 48 hedendaagse weedy-rijstplanten om te laten zien hoe herbicideresistentie evolueerde door de genenstroom van rijstgewassen. Bijna alle andere gevallen van herbicideresistentie bij landbouwonkruiden zijn het gevolg van selectie van tolerante genotypen in de onkruidsoort. Slechts 20 jaar nadat herbicide-resistente rijst voor het eerst werd geadopteerd in het zuiden van de Verenigde Staten, hebben de meeste velden met een geschiedenis van herbicide-resistente rijstteelt onkruidachtige rijstplanten die ook herbicide-resistent zijn.

"Gedurende zijn bijna 200-jarige geschiedenis in de Verenigde Staten had onkruidrijst een zeer lage mate van uitkruising met gecultiveerde rijst", zegt Marshall Wedger, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de biologie in Arts &Sciences aan de Washington University en eerste auteur van de studie . "We ontdekten dat Amerikaanse onkruidrijst is blijven bestaan ​​​​door de druk van herbiciden met het voortbestaan ​​​​van die paar planten die uitkruisen, waardoor ze de herbicide-resistentie-eigenschap hebben gekregen."

"Technologische veranderingen in de Amerikaanse rijstteelt sinds de jaren 2000 hebben geleid tot een complete genetische revolutie in de samenstelling van de onkruidachtige rijst die de Amerikaanse velden teistert", zegt Kenneth Olsen, hoogleraar biologie aan de Washington University en senior auteur van het onderzoek.

"In de afgelopen 20 jaar is onkruidrijst veranderd van genetisch sterk verschillend van Amerikaanse gewasvariëteiten tot tegenwoordig voornamelijk afgeleid van gewas-onkruidhybridisatie," zei Olsen. "Het onkruid pikt bepaalde eigenschappen van het gewas die gunstig voor hen zijn, waaronder resistentie tegen herbiciden."

Onkruid grijpt zijn moment

Weedy rijst is een plaag van de productie van gecultiveerde rijst over de hele wereld. Maar tot het begin van de jaren 2000 werd onkruidachtige rijst op Amerikaanse velden zelden gekruist met de soorten rijst die in dit land algemeen werden verbouwd.

Gewasrijst en onkruidrijst zijn van dezelfde soort, dus ze kunnen kruisen of hybridiseren. Hun mate van hybridisatie is meestal laag - over het algemeen minder dan 1% - omdat rijst zelfbestoven is.

Maar er gebeurde iets dat de eeuwenoude dynamiek tussen deze twee nauw verwante planten veranderde. Vanaf het begin van de jaren 2000 werden op Amerikaanse velden twee nieuwe soorten rijst geadopteerd. Een daarvan was een nieuwe hybride rijst die een aanzienlijk hogere opbrengst bood in vergelijking met traditionele inteelt (zelfbestuivende) rijstcultivars. De andere was een nieuwe soort die was aangepast om tolerant te zijn voor een bepaald soort herbicide. Met deze zogenaamde Clearfield-cultivars konden boeren rijst planten en vervolgens chemicaliën op hun velden aanbrengen om onkruidachtige rijst en ander landbouwonkruid te doden zonder het gewas te schaden.

Reeds in 2004, slechts twee jaar nadat de nieuwe rijst lokaal werd geadopteerd, meldden boeren in Arkansas al enkele gevallen van herbicideresistentie in onkruidrijst. Dergelijke resistente planten waren waarschijnlijk gekruist met herbicide-resistente rijst.

"De situatie is enigszins analoog aan de menselijke gezondheid en de opkomst van antibioticaresistente bacteriële pathogenen. Een wijdverbreid gebruik van antibiotica leidt uiteindelijk tot een sterke selectie voor de snelle evolutie van de medicijnresistente stammen," zei Olsen. "Met onkruidrijst werden herbicide-resistente onkruiden ontdekt slechts een paar jaar nadat herbicide-resistente rijst voor het eerst op de markt werd gebracht."

Hoe is het gebeurd? Om genenoverdracht van een gewas naar een onkruidverwant te laten plaatsvinden, moeten de twee fysiek dicht genoeg bij elkaar groeien voor overdracht van stuifmeel.

"De herbicide-resistente onkruidrijstplanten zijn het product van uitkruising met herbicide-tolerante gewassen", zegt Nilda Roma Burgos, hoogleraar onkruidfysiologie aan de Universiteit van Arkansas en een co-auteur van het onderzoek. "Uitkruising vindt plaats wanneer onkruidrijst niet 100% wordt bestreden door het herbicide en de resterende onkruidrijstplanten bloeien op hetzelfde moment als het herbicide-tolerante rijstgewas."

Rijst en onkruidrijst groeien zeker op dezelfde velden. Het was echter de vervelende gewoonte van de hybride rijst om vrijwilligers te produceren - dat wil zeggen met succes zaden te ontwikkelen en te laten vallen die overwinteren en vervolgens in de daaropvolgende jaren als nieuwe planten tevoorschijn komen - die een deur opende voor onkruidrijst.

De gewasvrijwilligers groeiden op en vertoonden variabele eigenschappen, waaronder veranderingen in de bloeitijd, waardoor het veel waarschijnlijker was dat ze stuifmeel zouden verwisselen met onkruidrijst.

"Als een niet-gedomesticeerde onkruidverwant, is onkruidrijst altijd in staat geweest om te kruisen met gecultiveerde rijst. Op basis van onze resultaten is dit vermogen om te kruisen wat leidde tot de meeste herbicideresistentie die we tegenwoordig zien," zei Wedger.

Een uniek uitdagend jaar voor telers

De bevindingen van deze nieuwe studie worden gerapporteerd tijdens een uniek uitdagend jaar voor rijstboeren in Arkansas. Problemen met de wereldwijde toeleveringsketen, evenals stijgingen van de kosten van belangrijke inputs voor gewassen, zoals kunstmest, hebben het verbouwen van rijst moeilijker en duurder gemaakt.

Tegelijkertijd heeft de wereldwijde klimaatverandering lokale effecten op het tijdstip waarop rijst kan worden geplant. Dit jaar moesten boeren de aanplant, die meestal in een periode van vier weken plaatsvindt, proppen in een veel kortere periode. Ook dit jaar waren de nachttemperaturen in het noordoosten van Arkansas in de maanden juli en augustus hardnekkig hoog, met mogelijk negatieve effecten op de rijstopbrengsten. Alleen de tijd zal leren wat de oogst van 2022, die deze maand begint, zal brengen.

Eén ding is echter zeker:de snelle aanpassing van onkruidrijst aan de toepassing van herbiciden dient als nog een ander voorbeeld van de gevaren van het vertrouwen op enkele controlemethoden voor landbouwongedierte, aldus de auteurs van de studie.

"Hoe snel een resistente, onkruidachtige rijstpopulatie zich opbouwt tot een punt waarop het herbicide niet langer bruikbaar is, hangt af van hoe de producent omgaat met de herbicide-tolerante rijsttechnologie," zei Roma Burgos. "Er zijn richtlijnen voor beste managementpraktijken die telers helpen de ontwikkeling van resistentie gedurende lange tijd te vermijden, indien geïmplementeerd."

"Net als in het geval van antibioticaresistentie, zal de opkomst van resistentie tegen dit specifieke herbicide worden opgevangen met een nieuwe technologie die afhankelijk is van een nieuw herbicide," zei Wedger. "Er zijn al nieuwe herbicide-resistente cultivars in ontwikkeling, dus ik verwacht dat dit proces zich zal herhalen." + Verder verkennen

Weedy rijst is onbedoelde erfenis van Groene Revolutie