Tolerancia a herbicidas inhibidores de ahas en girasol silvestre, helianthus annuus ssp. annuus

Abstract

Helianthus annuus silvestre es considerada una maleza que puede causar pérdidas importantes sobre los cultivos así como también una fuente de variabilidad para el mejoramiento de girasol. El hallazgo de plantas tolerantes a imidazolinonas en una población de girasol silvestre en un cultivo de soja en EEUU posibilitó el desarrollo de los girasoles Clearfield (CL) que comenzaron a comercializarse en Argentina en 2003. En la región central de nuestro país se han naturalizado poblaciones de H. annuus y H. petiolaris que coinciden en superficie, pe-ríodo de floración y que hibridan con el girasol doméstico. La posibilidad de transferencia de la tolerancia a imidazolinonas desde los girasoles CL afectaría la dinámica de las poblaciones silvestres, incluyendo su grado de dormición y la tolerancia a herbicidas. No existe información sobre el efecto de la inter-ferencia de H. annuus silvestre sobre el rendimiento y la cali-dad del cultivo de girasol. Tampoco se conoce el efecto sobre el agroecosistema de la presencia de plantas originadas por el flujo de polen desde el girasol silvestre hacia líneas endocria-das en lotes de producción de semilla híbrida de girasol. Los objetivos generales de esta tesis fueron: 1) caracterizar la dormición de semilla de las poblaciones silvestres y el efecto del cruzamiento con un híbrido CL, 2) estudiar la tolerancia a imazapir en híbridos entre girasol silvestre y doméstico, 3) identificar la resistencia al herbicida mediante marcadores moleculares, 4) cuantificar la disminución del rendimiento y calidad del girasol por efecto de la interferencia del girasol silvestre y 5)estimar el riesgo de aparición de poblaciones invasoras a partir de plantas fuera detipo originadas por contaminación durante la producción de semilla híbrida de girasol. Se encontró que las semillas de H. annuus silvestre de Argentina responden a estímulo lumínico. Tanto el girasol silvestre como los híbridos silvestre x cultivado germinaron bien a 15C. El almacenamiento en seco a 5C aumentó la germinación del girasol silvestre y su progenie silvestre-cultivado. La escarificación mecánica fue el método de acondicionamiento con mayor efecto sobre la ruptura de la dormición de las semillas, aunque el cruzamiento con el girasol CL aumentó levemente la germinación de las semillas. La dor-mición en el girasol silvestre estaría gobernada por el balance de los ácidos giberélico y abscísico en el embrión y por la composición de las coberturas maternas. El cruzamiento con el girasol CL aumentó 64 veces la tolerancia a imazapir del girasol silvestre aunque fue menor a la del híbrido de girasol CL. La materia seca radical fue la más afectada por la aplicación de imazapir. El girasol silvestre fue sensible a las sulfonilureas e imidazolinonas evaluadas, si bien el cruzamien-to con el girasol CL aumentó la tolerancia a imazapir e imaze-tapir. El girasol CL fue tolerante a imazapir, imazetapir y ligera-mente tolerante a clorimuron. Estos resultados mostraron que la tolerancia al herbicida de la progenie silvestre-cultivado haría práctica y económicamente inviable la utilización de la tecnología CL en girasol. Un marcador microsatélite ligado a AHAS1 permitió identificar polimorfismos entre el híbrido CL y las líneas endocriadas susceptibles. Las progenies silvestre-cultivado fueron heterocigotas tolerantes. Las poblaciones silvestres presentaron el alelo de la tolerancia en baja frecuen-cia. La identificación de un nuevo alelo y una elevada propor-ción de genotipos tolerantes en dos poblaciones de H. annuus que conviven con H. petiolaris permitieron inferir introgresión de esta última. El marcador sirvió para identificar los genoti-pos tolerantes y susceptibles en los materiales domesticados y en tres poblaciones silvestres. Sin embargo, su utilidad estaría restringida a poblaciones de girasol sin contacto con H. petiolaris. La mutación natural que confiere tolerancia a imidazolinonas se encontró en baja frecuencia en las poblacio-nes de Argentina pero podría aumentar por hibridación con materiales tolerantes o por selección por el uso del herbicida. El aumento de la densidad del girasol silvestre invasor disminu-yó el rendimiento del cultivo de girasol. Más de 3 plantas m-2 disminuyeron el rendimiento del cultivo en un 49%. Si bien la cosecha de cipselas de la maleza compensó ligeramente esa merma en el rendimiento, su presencia disminuyó el contenido de aceite y la composición de ácidos grasos del cultivo. Las semillas no recolectadas se incorporaron al banco del suelo. En el peor escenario, aunque las plantas nacidas fueran elimina-das antes que fructifiquen, las semillas podrían permanecer en el lote por 10 años. Las plantas fuera de tipo originadas por contaminación por polen silvestre durante la producción de semilla híbrida fueron fenotípicamente diferentes a los materiales cultivados y a las poblaciones silvestres. Las plan-tas descendientes de la siguiente generación no recobraron el fenotipo silvestre y se asemejaron a los materiales cultivados. En consecuencia, las plantas F1 no podrían originar poblacio-nes ferales de girasol, aunque podrían actuar como puente biológico y transferir caracteres, como la tolerancia a imida-zolinonas, a las poblaciones silvestres.

Wild Helianthus annuus is considered a weed that causes significant crop losses and also is considered as a source of variability for sunflower breeding. The finding of imidazolinone-tolerant wild sunflower plants in a soybean crop in the US enabled the development of Clearfield (CL) sunflowers, commercially produced in Argentina since 2003. Populations of H. annuus and H. petiolaris have naturalized in the central region of our country, sharing growing areas, flowering time, and both hybridize with the domestic sunflower. The possi-bility of transference of imidazolinone tolerance from sun-flower CL varieties to wild sunflower would affect the wild population dynamics, including dormancy and herbicide tole-rance. There is no information on wild H. annuus interference on sunflower yield and quality. Also the effect of off-type plants produced by pollen flow from the wild sunflower to sunflower inbred lines during seed production is unknown. The main objectives of this thesis were: 1) to characterize seed dormancy in wild populations and the effect of mating with a sunflower CL cultivar, 2) to study imazapyr tolerance in hybrids between wild and domestic sunflower, 3) to identify herbicide tolerance using molecular markers, 4) to quantify sunflower crop yield and quality reduction caused by wild sunflower interference, and 5) to estimate the risk of invasive populations originated in off-type pollen contamination during sunflower seed production. It was found that wild H. annuus seeds respond to light stimulus. Wild sunflowers and their wild-crop progenies germinated well at 15C. Dry storage at 5C increased both biotype germination. Mechanical scarification was the preparation method with greater breaking effect on seeds dormancy, although crossing with a sunflower CL cultivar slightly increased seed germination. Dormancy in wild sunflower would be governed by the balance between gibberellic and abscisic acids in the embryo, and the compo-sition of maternal coat. Hybridization with a CL sunflower cultivar increased the wild sunflower tolerance to imazapyr 64 times, though it remained lower than the CL cultivar. Root dry matter was most affected by imazapyr. Wild sunflower was sensitive to all evaluated sulfonylureas and imidazolinones, although hybridization with CL sunflower increased imazapyr and imazethapyr tolerance. The CL sunflower cultivar was tolerant to imazapyr, imazethapyr and slightly tolerant to chlorimuron. These results showed that IMItolerance of sunflower wild-crop progeny would render unfeasible the usage of CL technology in sunflower crop, from a practical and economic standpoint. A SSR marker linked to AHAS1 allowed polymorphism identification among the CL cultivar and susceptible inbred lines. The wild-crop progeny were tolerant heterozygotes. Wild populations had the "tolerant" allele at low frequencies. Identification of a new allele and a high proportion of resistant genotypes in two populations of H. annuus that grew close to H. petiolaris allowed to infer intro-gression from the later. The SSR marker was useful to identify tolerant and susceptible genotypes in domesticated materials and three wild populations. However, its utility would be restricted to wild sunflower populations without contact with H. petiolaris. The natural mutation conferring imidazolinone tolerance was found in a low frequency in wild populations but may increase by hybridization with tolerant materials or selec-tion by herbicide usage. Increasing densities of invasive wild sunflower decreased sunflower crop yield. More than 3 plants m-2 reduced crop yield by 49%. While weed achene harvest slightly counteracted this decline, their presence reduced crop oil content and altered fatty acid composition. Spilled seeds were incorporated to the soil bank. In the worst scenario if plants were removed before shattering, seeds could remain in soil for 10 years. Off-type plants originated by wild pollen contamination during seed production were pheno-typically different from cultivated materials and wild populations. Plants from the next generation did not recover the wild phenotype and resembled the cultivated materials. Therefore F1 plants would not originate feral sunflower populations but could act as a bridge to transfer biological traits, such as imidazolinone tolerance, to wild populations.