Biology, management and biochemical/genetic characterization of weed biotypes resistant to acetolactate synthase inhibitor herbicides

Bidens pilosa and Amaranthus quitensis are major weeds infesting soybean [Glycine max L (Merrill)] fields in Brazil and Argentina. The repetitive use of acetolactate synthase (ALS EC 4.1.3.18) inhibiting herbicides in São Gabriel do Oeste, MS, Brazil and in the provinces of Córdoba and Tucumã, Argentina, has selected for resistant (R) biotypes of these weeds. Research work was developed to study the management, growth, biochemistry, and genetics of these R weed biotypes. In a field experiment it was found that chlorimuron-ethyl and imazethapyr at recommended rates (both ALS inhibitor herbicides), did not control R B. pilosa, but the alternative lactofen, fomesafen and bentazon were effective, either sprayed alone or mixed with the ALS inhibitor herbicides. Greenhouse studies confirmed the cross-resistance of both R biotypes to the imidazolinone and sulfonylurea herbicides, and these alternative herbicides, when sprayed alone or mixed with the ALS inhibitor, efficiently controlled both R and S populations. A growth analysis of the R and S biotypes of these weeds, under non-competitive conditions, indicated that there is no adaptive cost to the R biotypes (pleiotropic effect). A quick bioassay using ALS and ketoacid reductoisomerase (KARI) inhibitors showed that the resistance of the R biotypes to herbicides is related to a lack of sensitivity of the ALS enzyme to the herbicides. On the other hand, the sequencing of the gene that codifies the ALS resistance in R A. quitensis did not present any mutation in the A Domain region, suggesting that other positions of the gene that confer insensitivity of the ALS to sulfonylurea and imidazolinone herbicides could have mutated.

Bidens pilosa e Amaranthus quitensis são as principais plantas daninhas infestantes na cultura de soja [Glycine max L (Merrill)] no Brasil e Argentina, respectivamente. O uso repetitivo de herbicidas inibidores da acetolactato sintase (ALS EC 4.1.3.18) em São Gabriel do Oeste (MS - Brasil) e nas províncias de Córdoba e Tucumã (Argentina), selecionaram biótipos resistentes (R) destas plantas daninhas. Esta pesquisa foi desenvolvida para estudar o manejo, crescimento, a bioquímica e genética destes biótipos resistentes. Em um experimento de campo concluiu-se que chlorimuron-ethyl e imazethapyr (inibidores da ALS), aplicados nas doses recomendadas, não controlaram o biótipo R de B. pilosa, mas os herbicidas alternativos lactofen, fomesafen e bentazon foram eficientes quando aplicados sozinhos ou em mistura com os herbicidas inibidores da ALS. Estudos em casa-de-vegetação confirmaram a resistência cruzada para os biótipos de ambas espécies aos herbicidas dos grupos químicos das imidazolinonas e sulfuniluréias e os herbicidas alternativos sozinhos ou em mistura com os inibidores da ALS controlaram eficientemente populações resistentes e suscetíveis. Análises de crescimento dos biótipos R e S destas plantas daninhas em condições não competitivas mostraram que não existe um custo adaptativo para os biótipos R (efeitos pleiotrópicos). O bioensaio rápido usando inibidores da ALS e ketoacid reductoisomerase (KARI) indicaram que a resistência decorre da insensibilidade da enzima ALS aos herbicidas. Por outro lado, o seqüenciamento do gene que codifica a ALS em R A. quitensis não mostrou mutação no Domínio A, sugerindo que outras posições do gene poderiam estar sofrendo mutações que conferem a insensibilidade da ALS a sulfuniluréias e imidazolinonas.

Cloning and expression of cellulase XF-818 of Xylella fastidiosa in Escherichia Coli

Xylella fastidiosa's genome was the first of a plant pathogen to be completely sequenced. Through comparative sequence analysis many genes were identified and, among them, several potentially involved in plant-pathogen interaction. However, the biological role of each gene should be assigned experimentally. On this regard, heterologous protein expression is a powerful tool to produce proteins from such genes, allowing their characterization. X. fastidiosa lives inside xylem vessels and eventually would degrade pit membranes from xylem cells to move radialy into the host. The identification of several putative plant cell wall degrading enzymes on X. fastidiosa genome prompted the assession of the function of such proteins. The open reading frame (ORF) Xf-818 was cloned into expression vector pET20b and E. coli cells harboring such plasmid exhibited cellulase activity. Using IPTG at 0.4 mmol L-1 with a 12 h incubation at 32°C are the best conditions to produce higher amounts of heterologous protein. The enzyme degrades cellulose confirming the endoglucanase activity of Xf-818.

Xylella fastidiosa foi a primeira bactéria fitopatogênica que teve seu genoma completamente seqüenciado. A identificação de diversos genes, através de similaridade de seqüências, indicou os possíveis mecanismos de patogenicidade da bactéria. Entretanto, a determinação da função de um gene requer a confirmação experimental e, neste aspecto, a expressão heteróloga é uma poderosa ferramenta. X. fastidiosa coloniza somente o xilema das plantas hospedeiras e a identificação putativa de diversos genes semelhantes a enzimas que degradam a parede celular vegetal, estimularam o presente estudo de catacterização destas enzimas. A clonagem da ORF Xf-818 de X. fastidiosa no vetor de expressão pET20b possibilitou a produção da proteína heterologamente em E. coli. O emprego de IPTG a 0,4 mmol L-1 com 12 h a 32°C, possibilitou as melhores condições para E. coli produzir a proteína heteróloga. Clones de E. coli que expressam Xf-818, apresentam atividade celulásica, degradando eficientemente a celulose. A identificação de Xf-818 como uma endoglicanase foi assim confirmada.

Cloning and expression of cellulase XF-818 of Xylella fastidiosa in Escherichia Coli

Xylella fastidiosa's genome was the first of a plant pathogen to be completely sequenced. Through comparative sequence analysis many genes were identified and, among them, several potentially involved in plant-pathogen interaction. However, the biological role of each gene should be assigned experimentally. On this regard, heterologous protein expression is a powerful tool to produce proteins from such genes, allowing their characterization. X. fastidiosa lives inside xylem vessels and eventually would degrade pit membranes from xylem cells to move radialy into the host. The identification of several putative plant cell wall degrading enzymes on X. fastidiosa genome prompted the assession of the function of such proteins. The open reading frame (ORF) Xf-818 was cloned into expression vector pET20b and E. coli cells harboring such plasmid exhibited cellulase activity. Using IPTG at 0.4 mmol L-1 with a 12 h incubation at 32°C are the best conditions to produce higher amounts of heterologous protein. The enzyme degrades cellulose confirming the endoglucanase activity of Xf-818.

Xylella fastidiosa foi a primeira bactéria fitopatogênica que teve seu genoma completamente seqüenciado. A identificação de diversos genes, através de similaridade de seqüências, indicou os possíveis mecanismos de patogenicidade da bactéria. Entretanto, a determinação da função de um gene requer a confirmação experimental e, neste aspecto, a expressão heteróloga é uma poderosa ferramenta. X. fastidiosa coloniza somente o xilema das plantas hospedeiras e a identificação putativa de diversos genes semelhantes a enzimas que degradam a parede celular vegetal, estimularam o presente estudo de catacterização destas enzimas. A clonagem da ORF Xf-818 de X. fastidiosa no vetor de expressão pET20b possibilitou a produção da proteína heterologamente em E. coli. O emprego de IPTG a 0,4 mmol L-1 com 12 h a 32°C, possibilitou as melhores condições para E. coli produzir a proteína heteróloga. Clones de E. coli que expressam Xf-818, apresentam atividade celulásica, degradando eficientemente a celulose. A identificação de Xf-818 como uma endoglicanase foi assim confirmada.

Biology, management and biochemical/genetic characterization of weed biotypes resistant to acetolactate synthase inhibitor herbicides

Bidens pilosa and Amaranthus quitensis are major weeds infesting soybean [Glycine max L (Merrill)] fields in Brazil and Argentina. The repetitive use of acetolactate synthase (ALS EC 4.1.3.18) inhibiting herbicides in São Gabriel do Oeste, MS, Brazil and in the provinces of Córdoba and Tucumã, Argentina, has selected for resistant (R) biotypes of these weeds. Research work was developed to study the management, growth, biochemistry, and genetics of these R weed biotypes. In a field experiment it was found that chlorimuron-ethyl and imazethapyr at recommended rates (both ALS inhibitor herbicides), did not control R B. pilosa, but the alternative lactofen, fomesafen and bentazon were effective, either sprayed alone or mixed with the ALS inhibitor herbicides. Greenhouse studies confirmed the cross-resistance of both R biotypes to the imidazolinone and sulfonylurea herbicides, and these alternative herbicides, when sprayed alone or mixed with the ALS inhibitor, efficiently controlled both R and S populations. A growth analysis of the R and S biotypes of these weeds, under non-competitive conditions, indicated that there is no adaptive cost to the R biotypes (pleiotropic effect). A quick bioassay using ALS and ketoacid reductoisomerase (KARI) inhibitors showed that the resistance of the R biotypes to herbicides is related to a lack of sensitivity of the ALS enzyme to the herbicides. On the other hand, the sequencing of the gene that codifies the ALS resistance in R A. quitensis did not present any mutation in the A Domain region, suggesting that other positions of the gene that confer insensitivity of the ALS to sulfonylurea and imidazolinone herbicides could have mutated.

Bidens pilosa e Amaranthus quitensis são as principais plantas daninhas infestantes na cultura de soja [Glycine max L (Merrill)] no Brasil e Argentina, respectivamente. O uso repetitivo de herbicidas inibidores da acetolactato sintase (ALS EC 4.1.3.18) em São Gabriel do Oeste (MS - Brasil) e nas províncias de Córdoba e Tucumã (Argentina), selecionaram biótipos resistentes (R) destas plantas daninhas. Esta pesquisa foi desenvolvida para estudar o manejo, crescimento, a bioquímica e genética destes biótipos resistentes. Em um experimento de campo concluiu-se que chlorimuron-ethyl e imazethapyr (inibidores da ALS), aplicados nas doses recomendadas, não controlaram o biótipo R de B. pilosa, mas os herbicidas alternativos lactofen, fomesafen e bentazon foram eficientes quando aplicados sozinhos ou em mistura com os herbicidas inibidores da ALS. Estudos em casa-de-vegetação confirmaram a resistência cruzada para os biótipos de ambas espécies aos herbicidas dos grupos químicos das imidazolinonas e sulfuniluréias e os herbicidas alternativos sozinhos ou em mistura com os inibidores da ALS controlaram eficientemente populações resistentes e suscetíveis. Análises de crescimento dos biótipos R e S destas plantas daninhas em condições não competitivas mostraram que não existe um custo adaptativo para os biótipos R (efeitos pleiotrópicos). O bioensaio rápido usando inibidores da ALS e ketoacid reductoisomerase (KARI) indicaram que a resistência decorre da insensibilidade da enzima ALS aos herbicidas. Por outro lado, o seqüenciamento do gene que codifica a ALS em R A. quitensis não mostrou mutação no Domínio A, sugerindo que outras posições do gene poderiam estar sofrendo mutações que conferem a insensibilidade da ALS a sulfuniluréias e imidazolinonas.