Resistencia a herbicidas causada por variación genética preexistente

Blackgrass se ha convertido en la maleza resistente a herbicidas más dañina económicamente en Europa. Un equipo dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Biología de Tübingen y de la Universidad de Hohenheim en Stuttgart ha descubierto que estas resistencias se deben en gran medida a variantes genéticas anteriores al uso de herbicidas.

Los agricultores de toda Europa libran una batalla cada vez más ferviente contra el pasto negro. Esta hierba anual, originaria de Eurasia y que prospera en praderas húmedas y bosques caducifolios, ha invadido las tierras cultivadas: al crecer densamente y competir con cultivos como el trigo o la cebada, puede reducir considerablemente el rendimiento de la cosecha.

La práctica de décadas de controlar esta maleza con herbicidas dirigidos a proteínas específicas de la planta ha resultado en un aumento preocupante de la resistencia a los herbicidas: el pasto negro causa un daño anual estimado de casi 500 millones de euros sólo en el Reino Unido. Su rápida adaptación a los herbicidas amenaza con superar la innovación en el control químico de malezas.

Un equipo de científicos dirigido por investigadores del Departamento de Biología Molecular de Detlef Weigel en el Instituto Max Planck de Biología de Tübingen (Alemania) y el Departamento de Biodiversidad de Cultivos e Informática de Mejoramiento de Karl Schmid en la Universidad de Hohenheim (Stuttgart, Alemania) ha estudiado la evolución Mecanismos de cómo surgen las resistencias. Los dos herbicidas más comunes utilizados contra el pasto negro impiden la actividad de cualquiera de las dos proteínas, que son vitales para que la maleza prospere.

Blackgrass ha desarrollado diferentes estrategias para resistir las toxinas: la hierba puede impedir que lleguen a las proteínas que están diseñadas para desactivar, por ejemplo, metabolizándolas. Las plantas con este tipo de resistencia siguen siendo en su mayoría sensibles a dosis mayores de herbicidas. Peor para los agricultores y mucho más frecuente es la llamada resistencia del sitio objetivo: un cambio directo en el gen que codifica las proteínas objetivo puede hacer que la planta sea insusceptible incluso a niveles altos del herbicida.

El rápido aumento de estas resistencias en el sitio objetivo llevó a los investigadores a preguntarse qué papel desempeñan las mutaciones emergentes frente a las mutaciones que ya estaban presentes en una población antes de la exposición a los herbicidas.

Para responder a esta pregunta, los investigadores comenzaron localmente: "Aprendimos de los agricultores que el pasto negro resistente a los herbicidas también es un problema en Tubinga, y pudimos recolectar nuestras primeras muestras con la amable ayuda de los agricultores locales", recuerda la primera autora Sonja Kersten. , cuyo proyecto de doctorado sentó las bases del estudio. “Sin embargo, pronto nos dimos cuenta de que sólo podíamos aprender mucho de nuestra propia y limitada colección.

Tuvimos la suerte de poder asociarnos con colegas de BASF Agriculture Solutions, que ya tenían muestras de pasto negro de todo el continente, lo que nos permitió ampliar el alcance del estudio a escala europea”. BASF también se benefició, ya que comprender genomas como el de la hierba negra les permite derivar medidas de gestión que pueden contribuir al uso sostenible de productos herbicidas.

La variación genética proporciona información sobre la historia evolutiva

Los investigadores generaron un genoma de referencia del pasto negro (una representación idealizada de la secuencia de ADN que los estudios genéticos utilizan como estándar de comparación) y analizaron la estructura genética de poblaciones resistentes. “La variación que encontramos en la mayoría de las poblaciones resistentes indica que la propagación de las resistencias es el resultado de variantes genéticas preexistentes, y sólo en menor grado de mutaciones espontáneas”, explica Fernando Rabanal, autor principal del estudio.

"Cuando surge una ventaja evolutiva a partir de una mutación espontánea, normalmente vemos una cierta disminución de la variación genética en toda la población, y este no fue el caso aquí". Los investigadores compararon sus datos empíricos con simulaciones de diferentes escenarios de adaptación, confirmando que las variantes de resistencia del sitio objetivo probablemente ya estaban presentes antes de que los herbicidas comenzaran a ejercer la presión selectiva.

Para obtener sus resultados, el equipo secuenció con gran precisión los genes que codifican las proteínas objetivo, así como las regiones circundantes, generando lo que los biólogos llaman amplicones de lectura larga.

Sin embargo, se enfrentaron a la dificultad de tener que procesar cientos de plantas individuales, una tarea costosa y que requería mucho tiempo. Kersten, Rabanal y Weigel desarrollaron un protocolo de secuenciación genética que permite analizar más de 100 individuos a partir de una única extracción de ADN sin tener que sacrificar gran parte de la precisión original.

Con el apoyo de colaboradores de Agris42, una empresa con sede en Stuttgart que desarrolla pruebas de resistencia fisiológica para agricultores y socios de la industria, aplicaron su método a 64 poblaciones de campo en toda Alemania, utilizando muestras obtenidas de Agris42.

Esta colección puede convertirse en un recurso valioso para monitorear la prevalencia de resistencias; tanto más cuanto que las simulaciones incluidas en el estudio indican que las variantes genéticas resistentes, incluso las más raras, persistirán durante décadas en campos no tratados.

Con miras a las consecuencias prácticas inmediatas de sus hallazgos, los autores señalan que las estrategias de manejo no deberían depender únicamente de los herbicidas, sino también “integrar el manejo mecánico de malezas y la rotación de cultivos, para mantener continuamente baja la incidencia de malezas en el campo”.