EVOLUÇÃO DA RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A HERBICIDAS

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1 EVOLUÇÃO DA RESISTÊNCIA DE PLANTAS DANINHAS A HERBICIDAS Henrique S. Kajino 1, Elenice W. Stiegelmeier 2, Vilma A. Oliveira 3, Décio Karam 4 1 SEL/EESC/USP, São Carlos, Brasil, hskajino@sc.usp.br 2 SEL/EESC/USP, São Carlos, Brasil, elenicew@sc.usp.br 3 SEL/EESC/USP, São Carlos, Brasil, vilma@sc.usp.br 4 Embrapa Milho e Sorgo, Sete Lagoas, Brasil, karam@cnpms.embrapa.br RESUMO: O problema da resistência de plantas daninhas aos atuais herbicidas utilizados é de grande importância econômica devido aos altos custos que envolvem o controle desta praga, e também ecológica já que o uso de dosagens maiores e herbicidas mais eficientes gera impactos ambientais. Modelos matemáticos que visam estudar a resistência a herbicidas não consideram a eficiência da dosagem utilizada e suas implicações na dinâmica da evolução genética das plantas daninhas. Este trabalho visa modelar esta dinâmica de evolução da resistência de plantas daninhas a herbicidas de modo que possa ser utilizada como ferramenta em outros modelos de manejo de plantas daninhas. O modelo pode ser explicado através de relações observadas entre a dinâmica genética e a resposta de mortalidade de plantas daninhas em relação a diferentes doses de herbicida. Palavras-Chave: Dose resposta, planta daninha, resistência 1. OBJETIVOS A resistência de plantas daninhas dentro de uma determinada população ao herbicida é a capacidade adquirida e herdável de alguns biótipos da mesma espécie de sobreviverem e se reproduzirem após a exposição à dose de um herbicida [1]. Por sua vez, a pressão seletiva gerada pelos herbicidas, aumenta a freqüência dos biótipos resistentes [2]. A utilização de herbicida com residual prolongado ou herbicida sem ação residual, mas, aplicados repetidamente, o uso de herbicidas com alto grau de eficiência no controle do biótipo suscetível e, a aplicação de doses elevadas proporcionam uma pressão de seleção muito grande, favorecendo o desenvolvimento do biótipo resistente [3, 4]. O desenvolvimento da resistência a herbicidas na população de plantas daninhas sob seleção de herbicidas é um fenômeno evolucionário. Os herbicidas são fortes agentes de seleção e onde a variabilidade genética é grande são capazes de pressionar toda esta variedade para apenas uma direção: a dos indivíduos que carregam características que os tornam resistentes aos herbicidas. A grande variabilidade genética das plantas daninhas se deve a fatores característicos desses indivíduos, tais como a presença de plantas daninhas em diversas áreas, adaptabilidade a diversos climas e solos, diferentes métodos de reprodução, facilidade e rapidez de reprodução e a existência de um banco de sementes dormentes capaz de manter múltiplas gerações protegidas de condições não favoráveis durante períodos prolongados. O fato de não se observar esta resistência torna sua detecção mais difícil. Métodos de detecção e confirmação da resistência têm sido desenvolvidos e utilizados largamente no mundo, sendo que o número de casos registrados no portal do HRAC (Herbicide Action Committee) tem aumentado rapidamente nos últimos anos [5], com isso modelos que prevêem este comportamento tem sido propostos. O objetivo deste trabalho é propor um modelo de dose resposta baseado na evolução da resistência, levando em consideração doses variáveis de herbicidas para o controle da população de plantas daninhas e tratando o problema de evolução segundo a genética populacional de Fisher, Haldane e Wright (FHW). 2. EVOLUÇÃO DA RESISTÊNCIA A resistência tem origens genéticas resultado de longa evolução natural causada por uma inicial mutação em um indivíduo desconhecido. Favorecendo sua sobrevivência e reprodução, essa mutação pode ser passada para seus descendentes. A variação genética pode ser pré-existente ou pode surgir por mutação ou recombinação, após uma mudança ambiental. Assim, é possível distinguir duas situações no que diz respeito à variação genética para resistência herbicida em populações não selecionadas: aquisição de tolerância por nova mutação ou pré-existência da variação que gera a resistência. A evolução da resistência é muito mais rápida em populações que contém o gene de resistência, mesmo em baixís- Serra Negra, SP - ISSN

2 sima freqüência. O que determina a velocidade da evolução é a pressão seletiva que acaba por diferenciar indivíduos suscetíveis de indivíduos tolerantes em face dessa seleção, neste caso provocada pelo herbicida. O processo evolutivo é dinâmico: diferenças na pressão seletiva alteram a velocidade da disseminação da característica na população e diferentes formas de pressão seletiva levam a evolução em diferentes direções. Serão considerados apenas uma direção evolutiva resultado da resistência ao herbicida e casos de pré-existência de resistência, já que uma mutação não pode ser prevista por modelos Modelo de dose-resposta A relação entre a dose de herbicida e a resposta da planta é de fundamental importância para a compreensão da eficácia do herbicida e seu modo de ação. A função de dose-resposta tem como objetivo quantificar a sensibilidade da planta ao herbicida. Mudanças nessa sensibilidade alteram a função. Plantas resistentes têm uma menor sensibilidade ao herbicida, portanto, sua função dose-resposta difere da função dose-resposta da planta suscetível da mesma espécie. Essa diferença na função dose-resposta é usada para detectar casos de resistência a herbicidas [6]. A função que será usada para descrever curvas de dose-resposta será a log-logística de quatro parâmetros, descrita em [7]: d c ρ(u) =c + (1) 1 + exp[b(log(u) log(gr 50 ))] com parâmetros definidos na Tabela 1. A função loglogística é simétrica em torno do parâmetro GR 50, que também é o ponto de inflexão. A vantagem de utilizar (1) é que todos os seus parâmetros têm significado biológico. Os limites inferior (c) esu- perior (d) são limitantes da eficiência máxima e mínima do herbicida. O parâmetro b representa a inclinação da curva, podendo fornecer informações sobre o modo de ação do herbicida e o mecanismo de resistência utilizado pela planta. O parâmetro GR 50 terá a maior influência no desenvolvimento do modelo. A partir das metodologias de detecção de casos de resistência [6] sabe-se que este parâmetro diferencia plantas daninhas resistentes das suscetíveis. A resistência de uma planta pode ser medida pelo índice de resistência: I r = GR 50R (2) GR 50S em que GR 50R é o índice GR 50 da planta suspeita de resistência e GR 50S é o índice da maioria da população de plantas, considerado suscetível. Neste modelo serão considerados variações de resposta encontradas em campo, resultado de diferentes níveis de crescimento, saúde, disponibilidade de recursos que podem ser encontrados numa população Pressão seletiva A pressão seletiva é a união de fatores que favorecem uma determinada população, em detrimento de outra. O herbicida é uma forma de pressão seletiva, pois, o biótipo resistente é favorecido, já o biótipo suscetível é atacado. Outros fatores agem em conjunto ou independentemente do herbicida. Um exemplo de fator de pressão seletiva agindo em conjunto com o herbicida é a chuva: diminui a concentração de herbicida na superfície do solo, favorecendo indivíduos já fixados, enquanto aqueles ainda em desenvolvimento são atacados pelo excesso de água e pelo herbicida simultaneamente. Como exemplo de fator que age independentemente do herbicida é a luminosidade: plantas daninhas são perigosas para certas culturas apenas no início, pois neste momento competem por luz com a cultura, após o crescimento o próprio tamanho da cultura gera um sombreamento do solo que torna o desenvolvimento da planta daninha difícil. A existência de áreas com acesso a luz tornam as plantas daquela área mais favoráveis que as de outras áreas. Algo semelhante acontece com a fertilidade do solo. As funções de freqüência genética dos alelos dominantes e recessivos em face de pressão seletiva são descritas seguindo os princípios descobertos por Fisher, Haldane e Wright, os três criadores da teoria moderna evolucionária [8]. Abaixo são descritas as funções de frequência genética populacional: em que p t+1 = p t + g(p t ) (3) (w x w y )p t +(w x w z )q t g(p t )=p t q t w x p 2 t +2w y p t q t + w z qt 2. (4) com parâmetros definidos na Tabela 1. A função g(p t ) representa o acréscimo esperado entre as gerações de indivíduos cada vez mais resistentes, ou seja, a evolução por pressão seletiva, definida pela diferença entre as vantagens evolutivas w x, w y e w z. A razão entre as vantagens evolutivas obedece f(s): f(s) = (w x,w y,w z ) { f = d (s) = (1+s, 1+s, 1) f r (s) = (1+s, 1, 1) em que s é proporcional à dose de herbicida aplicada, f d (s) para o caso de alelo dominante e f r (s) paraocasoalelorecessivo, os quais são responsáveis pela resistência genética. Têm-se, assim, a dose de herbicida como único fator de pressão seletiva. Supõe-se que s depende linearmente da dose: (5) s(u) =Au (6) em que A é um fator de ajuste. Ao estudar o problema genético em plantas, o comportamento previsto por (3) e (4) mostra-se muito eficiente para plantas de reprodução rápida, sexuada através do pólen gerando sementes, com gerações bem distintas uma das outras, com populações isoladas e de grande interação dentro da mesma população. Estas são as características da maioria das plantas daninhas estudadas. Porém, (3) e (4) na maioria Serra Negra, SP - ISSN

3 das vezes não reproduz um dos comportamentos comuns às plantas daninhas por não considerar o banco de sementes. O banco de sementes é formado pelas sementes que ficam estocadas no solo aguardando condições ideais para germinarem e se tornarem adultas, protegendo assim, uma quantidade de material genético da pressão seletiva. Um banco de sementes altamente ativo terá todas as sementes participando da recombinação genética e, por consequência, sofrendo processos de seleção. Já um banco de sementes inativo não necessita ser considerado no problema, pois, não terá influência sobre os indivíduos que estão participando do processo de seleção. Um banco de sementes normalmente se encontra entre estes dois extremos, havendo necessidade de se reproduzir este comportamento modificando (4). Para representar o comportamento do banco de sementes (4) é multiplicada por um fator α que representa a diminuição do acréscimo ao pool genético (p) estudado, já que apenas os indivíduos adultos sofrem processos de seleção e esse pool representa agora não somente as plantas vivas, mas, também as sementes existentes no solo, atrasando a evolução da resistência. Assim, inclui-se o comportamento do banco de sementes inativos e (3) assume a forma: p t+1 = p t + g(p t )α (7) em que α< Modelo de resistência O percentual de plantas R t do biótipo resistente (assim como o seu complementar S t = (1 R t ) do biótipo suscetível) pode ser inferido através do conhecimento do fenótipo esperado da planta. O fenótipo é a característica observável do indivíduo, neste caso os biótipos resistente e suscetível, resultado da interação do genótipo com o ambiente. Cada um dos três genótipos possíveis (dois homozigotos e um heterozigoto) pode gerar um fenótipo diferente, dependendo das características dos alelos que formam cada genótipo. Serão estudados os casos mais comuns e presentes em plantas daninhas, os casos de alelos dominantes ou recessivos. No caso de alelo recessivo, somente o genótipo homozigoto (p 2 t ) é responsável pela resistência. Então, a proporção de indivíduos resistentes pode ser obtida através de Rt r : R r t = p 2 t. (8) No caso de alelo dominante, além do genótipo homozigoto (p 2 t ) o genótipo heterozigoto (2p t (1 p t ))tambémé responsável pela resistência. Neste caso, a proporção de indivíduos resistentes pode ser obtida através R d t : R d t = p 2 t +2p t (1 p t ). (9) A função do alelo p t é obtida através da função FHW modificada (7), dependendo da característica da planta estudada. Para obter a relação do alelo com o genótipo, são utilizados conceitos de Mendel e do equilíbrio de Hardy- Weinberg, presentes em [8]. A FHW modificada é responsável pela dinâmica de evolução genética da resistência. Agora, pode-se definir o percentual de biótipos resistentes como: { R d R t = t para o caso dominante para o caso recessivo. R r t (10) 3. RELACIONANDO O MODELO DE RESISTÊNCIA AO MODELO DE DOSE-RESPOSTA O modelo de dose-resposta baseado na evolução da resistência proposto é inspirado na metodologia utilizada para detectar casos de resistência de plantas daninhas a herbicidas [6, 7] e também na dinâmica de evolução genética da resistência. São obtidas as curvas de dose-resposta de biótipos resistentes através de ensaios, então, comparados com as obtidas de biótipos suscetíveis. A comparação é realizada através do índice de resistência (2), mensurando assim a diferença entre as doses necessárias para a eficácia do herbicida. Para a obtenção de uma curva dose-resposta que corresponda a toda a população estudada é necessário a realização de vários ensaios com diferentes proporções de plantas resistentes e suscetíveis, assim, pode-se conhecer a curva em qualquer condição de resistência que a população se encontre. Conhecendo a condição atual de resistência à herbicida da população de plantas daninhas é possível definir quais ensaios considerar como sendo um reflexo da condição atual de resistência e obter a curva de dose-resposta de toda população. Esta curva pode ser interpretada como a média formada por toda a população com cada indivíduo colaborando com a sua própria curva de dose-resposta. Assim, pode-se caracterizar a dependência dos parâmetros da curva de doseresposta de toda população em relação às curvas de doseresposta de dois grupos característicos: os biótipos resistente e suscetível, já que cada indivíduo pertencente a um grupo tem curvas de dose-resposta semelhantes, porém diferenciadas do outro grupo. A curva de dose-resposta de toda população deve apresentar características das curvas conhecidas dos dois biótipos. O esperado é que no caso da população ser formada apenas por plantas resistentes, esta curva de dose-resposta terá apenas características da curva conhecida do biótipo resistente. No outro extremo, se a população for formada apenas por plantas suscetíveis, a curva de dose-resposta total terá características apenas da curva do biótipo suscetível. A imprecisão esperada dos dados leva a uma elevada variância da regressão linear utilizada para obtenção das curvas dos biótipos, isto cria interferências que podem resultar em conclusões equivocadas sobre os parâmetros. Portanto, analisar previamente dados e não somente utilizá-los é uma tarefa importante. Em [7] conclui-se que o comportamento esperado de alguns parâmetros é previsível, independentemente do estado de resistência da população. A detecção de biótipos resistentes a herbicidas a partir de um modelo de evolução da resistência é baseado em [9] o qual foi inspirado na detecção de casos de resistência de plantas daninhas a herbicidas e também na evolução genética da resistência [6, 7]. Serra Negra, SP - ISSN

4 Para representar o comportamento da evolução da resistência, as seguintes suposições são consideradas. Os parâmetros da função de dose-resposta b, c e d são constantes e GR 50 é modelado como uma função dos biótipos resistentes (R) e suscetíveis (S). O parâmetro c deve ser similar para ambas as curvas conhecidas, pois, trata-se da mortalidade mínima esperada da espécie de planta estudada, não sendo específica para cada biótipo. O parâmetro d é quase sempre semelhante, por representar a mortalidade máxima esperada, isto quase sempre acontece próximo a 100%. Este parâmetro costuma apresentar uma maior disparidade na curva de doseresposta do biótipo resistente, pois, nem sempre a mortalidade total é alcançada durante experimentos, como pode ser visto em [10], por este motivo será utilizada no modelo o parâmetro d do biótipo suscetível. O parâmetro b é paralelo para o mesmo mecanismo de resistência [11, 12], então, considera-se o b do resistente, já que realizar mudanças iriam contra o modo conhecido de como este parâmetro é definido. Assim, conclui-se que somente a variação do parâmetro GR 50 é suficiente para refletir o comportamento de evolução da resistência. Então, a resistência pode ser interpretada como uma diminuição significativa da eficiência do herbicida sobre plantas específicas, já que o GR 50 é utilizado para medir a eficiência do herbicida. Em toda uma população, a diminuição gradual dessa eficiência é o comportamento esperado, pois, o biótipo resistente se torna gradualmente mais presente naquela população. Propõe-se, então, para definir o comportamento de evolução da resistência o modelo para o parâmetro GR 50t : GR 50t (R t )=R t GR 50R +(1 R t )GR 50S. (11) Para a integração do modelo de dose resposta ao modelo de resistência, será utilizada uma variação de (1) para considerar o parâmetro GR 50 dependente da resistência. A dose u é fixada no modelo, sendo variada na obtenção da curva de dose-resposta. O modelo proposto consiste, então, de (1) com GR 50t dada por (11), R t descrito por (10) e p t dado por (7). 4. RESULTADOS Nesta seção é apresentado um estudo de caso da evolução da resistência de uma importante planta daninha presente nas regiões tropicais, o Picão-preto (Bidens pilosa) com aplicação de controle através do herbicida chlorimuron-ethyl. A Bidens pilosa é uma planta originária da América tropical, largamente dispersa em várias regiões do mundo, ocorrendo com maior intensidade na América do Sul. No Brasil, é encontrada em praticamente todo o território, com maior concentração nas áreas agrícolas da Região Centro-Sul, onde se constitui numa das mais importantes plantas infestantes, tanto de culturas anuais como de perenes [13]. Os valores do modelo log-logístico obtidos em [14] para os biótipos resistente (R) e suscetível (S) da planta daninha Bidens Pilosa com a aplicação do herbicida chlorimuronethyl são apresentados na Tabela 2. A Figura 1 ilustra as curvas de dose-resposta obtidas. Foram realizadas simulações para verificar se o modelo Tabela 2 Parâmetros das funções log-logísticas para os biótipos da Bidens pilosa tratados com o herbicidas chlorimuronethyl Controle(%) Biótipo b c d GR 50 R 2 R -1,752-0, ,854 75,066 0,983 S -0,952-0, ,533 3,654 0, Suscetível Resistente dose(g/ha) Figura 1 Curvas de dose-resposta dos biótipos resistente e suscetível da Bidens pilosa. proposto mostra a evolução da resistência com o passar de gerações e seus efeitos sobre a curva de dose-resposta. As simulações foram realizadas no programa MATLAB versão 2007a, em um notebook Toshiba A215-S4747. Considerando os parâmetros da Tabela 2 foram traçados os gráficos de dose-resposta levando se em conta o efeito da evolução da resistência. A frequência inicial do alelo dominante foi adotada como p 0 =0, 1 e coeficiente de seleção como forte com s =0, 2u, onde u =10,paraocasodoalelo dominante. A Figura 2 apresenta as curvas de dose-resposta considerando a evolução prevista do modelo, com o passar de gerações, da resistência da espécie Bidens pilosa ao herbicida chlorimuron-ethyl. Nota-se que o parâmetro b de (1) foi normalizado para haver paralelismo entre as curvas, pois, o modo de ação do herbicida é o que define a inclinação da curva de doseresposta [1]. A Figura 3 ilustra a evolução da resistência ao longo de gerações. Esta resistência atinge níveis considerados críticos dentro do período de 20 anos, o mesmo comportamento observado nas simulações encontradas em [15 17]. 5. CONCLUSÕES Pode-se verificar que o modelo proposto representa, com boa aproximação, as curvas de dose-resposta sendo alteradas em razão da evolução da resistência das planta daninhas em relação aos herbicidas, com o passar de gerações. Com isto é possível planejar a aplicação de herbicidas, evitando que Serra Negra, SP - ISSN

5 p 0 p t q t w x w y w z s R t Rt d Rt e GR 50t GR 50R GR 50S c d b u A α Tabela1 Definiçãodosparâmetrosevariáveis Definição Frequência inicial do alelo Frequência do alelo no ano t Frequência do alelo oposto (q t =1 p t )noanot Vantagem evolutiva do homozigoto resistente Vantagem evolutiva do heterozigoto resistente/suscetível Vantagem evolutiva do homozigoto suscetível Coeficiente de seleção Percentual de indivíduos resistentes na população R t para o caso dominante R t para o caso recessivo Parâmetro que define 50% de resposta da curva dose-resposta GR 50 da curva de dose-resposta da planta resistente GR 50 da curva de dose-resposta da planta suscetível Parâmetro que define o menor valor de resposta da curva dose-resposta Parâmetro que define o maior valor de resposta da curva dose-resposta Parâmetro que define a inclinação em torno de GR 50 da curva dose-resposta Dose utilizada na curva dose-resposta Fator de ajuste Percentual de plantas afetadas pela pressão seletiva. Controle (%) Suscetíveis 5 gerações 10 gerações 15 gerações Resistentes Plantas resistentes (%) dose(g/ha) Figura2 EvoluçãodaresistênciadaespécieBidens pilosa, tomando o parâmetro b igual Gerações Figura 3 Percentual de plantas resistentes na população ao longo de gerações. a planta daninha se torne resistente a determinado produto químico. AGRADECIMENTOS Este trabalho contou com o apoio financeiro da CAPES programa PROCAD e do CNPq. REFERÊNCIAS [1] P. J. Christoffoleti, R. F. L. Ovejero, and J. C. Carvalho. Aspectos de Resistência de Plantas Daninhas a Herbicidas. Associação Brasileira de Ação à Resistência de Plantas Daninhas - HRAC-BR, Campinas, BR, [2] M. A. Rizzardi. Resistência de plantas daninhas aos herbicidas inibidores da acetolactato sintase. Planta Daninha, 20(1): , [3] P. J. Christoffoleti, V. R. Filho, and C. B. da Silva. Resistência de plantas daninhas aos herbicidas. Planta Daninha, 12(1):13 20, [4] R. A. Vidal and N. G. Fleck. Three weed species with confirmed resistance to herbicides in brazil. In 37ř Meeting of the Weed Science Society of America, page 100, Orlando, USA, [5] International Survey of Herbicide Resistant Weeds. Herbicide resistant weeds summary table. Serra Negra, SP - ISSN

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