RESISTÊNCIA DE PLANTAS
DANINHAS A HERBICIDAS:
DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO ATUAL DA
RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO
Pedro Jacob Christoffoleti
Área de Biologia e Manejo de Plantas Daninhas
Departamento de Produção Vegetal - ESALQ/USP
RESISTÊNCIA DE PLANTAS
DANINHAS A HERBICIDAS
1. INTRODUÇÃO
2. DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO DA RESISTÊNCIA NO BRASIL E MUNDO
2.1 Definição de resistência
2.2 Origem da resistência e fatores que interagem
2.2.1 Fatores genéticos
2.2.2 Fatores bioecológicos
2.2.3 Fatores agronômicos
2.3. Glyphosate – resistência ou tolerância?
2.3 Bases para a resistência de plantas daninhas a herbicidas
2.3.1 Perda de afinidade do herbicida pelo local de ação
2.3.2 Metabolismo e detoxificação do herbicida
2.3.3 Redução da concentração do herbicida no local de ação
2.4 Casos de resistência registrados no Brasil (situação mundial e
brasileira)
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
1. INTRODUÇÃO
- Evolução das plantas é conseqüência da pressão de seleção
- Plantas daninhas apresentam ampla variabilidade genética
que permite sobreviver em diversidade de ambientes
- Nos últimos anos, herbicida é o principal método de controle
- Nas últimas décadas têm-se observado seleção de
populações de plantas daninhas, a partir de biótipos
resistentes a alguns herbicidas (Christoffoleti, 1997)
- Conseqüências da resistência:
- restrição ou inviabilização da utilização dos herbicidas
- perdas de rendimento e qualidade dos produtos agrícolas
- maiores custos com o controle de plantas daninhas
Exige mudanças no sistema de produção
2. DEFINIÇÕES E SITUAÇÃO DA RESISTÊNCIA
NO BRASIL E MUNDO
2.1 Definição de resistência
Aumento da freqüência do biótipo resistente devido à aplicações
repetidas e anuais do mesmo herbicida
Planta suscetível
Ano 1
População de plantas
daninhas antes da
aplicação de herbicida
População de plantas
daninhas depois da
aplicação de herbicida
Planta resistente
Ano 2
Ano 3
Definição de resistência
“é a capacidade herdável de uma planta
sobreviver e reproduzir após à exposição a
um herbicida,
herbicida que normalmente seria letal
para a população original”
 Plantas resistentes ocorrem
naturalmente em baixa freqüência
 A pressão de seleção exercida pelo
herbicida aumenta a freqüência das
plantas resistentes
População suscetível após a aplicação de um
herbicida inibidor da ALS
100 % dos
Indivíduos
suscetíveis
Bidens pilosa L.
População resistente após a aplicação de um
herbicida inibidor da ALS
Indivíduo
resistente
Indivíduo
suscetível
Bidens pilosa L.
População resistente após a aplicação de um
herbicida inibidor da ALS
100 % dos
Indivíduos
resistentes
Bidens pilosa L.
Doses (kg i.a./ha) correspondentes aos GR50 dos biótipos resistente
(R) e suscetível (S) de Euphorbia heterophylla e a relação R/S.
Herbicidas
(inib. ALS)
GR50
R/S
Resistente
Suscetível
Cloransulan
> 0,24
0,035
> 6,85
Imazethapyr
Imazaquin
0,76
> 1,2
0,064
0,167
11,90
> 7,18
Fonte: Gazziero et al. (1998)
Doses (g i.a./ha) correspondentes aos GR50 do biótipo de Bidens pilosa
resistente (R) e suscetível (S) aos herbicidas inibidores da ALS
Herbicida
Resistente (R) Suscetível (S)
R/S
Chlorimuron-ethyl
466,60
11,40
40,92
Nicosulfuron
2173,00
12,50
173,84
39,66
0,69
57,47
4402,00
77,00
57,16
Metsulfuron-methyl
Imazethapyr
Fonte: Christoffoleti (2002)
Doses (g i.a./ha) correspondentes aos GR50 do biótipo de Bidens pilosa
resistente (R) e suscetível (S) aos herbicidas inibidores da ALS
Herbicida
Resistente (R) Suscetível (S)
R/S
Chlorimuron-ethyl
466,60
11,40
40,92
Nicosulfuron
2173,00
12,50
173,84
39,66
0,69
57,47
4402,00
77,00
57,16
Metsulfuron-methyl
Imazethapyr
Fonte: Christoffoleti (2002)
Doses (kg i.a./ha) correspondentes aos GR50 dos biótipos resistente
(R) e suscetível (S) de Euphorbia heterophylla e a relação R/S.
Herbicidas
(inib. ALS)
GR50
R/S
Resistente
Suscetível
Cloransulan
> 0,24
0,035
> 6,85
Imazethapyr
Imazaquin
0,76
> 1,2
0,064
0,167
11,90
> 7,18
Fonte: Gazziero et al. (1998)
Resistência cruzada x Resistência múltipla
Resistência cruzada:
 Resistência a diferentes herbicidas que têm o
mesmo sítio de ação e/ou mecanismo de ação
 Geralmente o mecanismo de resistência é
resultante de uma alteração no sítio de ação do
herbicida
O que é sítio de ação?
Sítio de ação dos herbicidas inibidores
do transporte de elétrons (inibidores da
fotossíntese)
QA
e-
Cytocromo
QB
e-
eePlastoquinona
QA
Planta
suscetível
Cytocromo
QB
eH
QA
e-
Plastoquinona
QB
Cytocromo
ee-
ePlastoquinona
Planta resistente
H
Sítio de ação
comum dos
herbicidas A e B
Sítio de ação dos herbicidas A, B e C
Resistência cruzada x Resistência múltipla
Resistência múltipla:
 Resistência a herbicidas não relacionados
quimicamente entre si e que apresentam
mecanismos de ação diferenciados
 Geralmente o mecanismo de resistência é via
metabolismo
“o conhecimento dos sítios de ação dos
herbicidas nas plantas (mecanismos de ação) é
fundamental para compreensão da resistência”
Classificação dos herbicidas de acordo com o
mecanismo/sítio de ação
Herbicide Resistance Action Committee (HRAC)
“The industry get together!”. Representantes da Indústria16
2.2 Origem da resistência e fatores que interagem no
desenvolvimento da resistência a herbicidas

Duas teorias de origem da resistência são propostos:
– a teoria da mutação (mudança gênica)
– genes pré-existentes que conferem resistência à
população (seleção natural)

As mutações ocorrem ao acaso e são pouco freqüentes

Não existem evidencias que a mutação seja induzida
pelos herbicidas
2.2.1 Fatores genéticos que interagem no
desenvolvimento da resistência a herbicidas
- Freqüência inicial do biótipo resistente
- Dominância dos alelos resistentes
- Tipo de fecundação
- Número de alelos resistentes
- Adaptação ecológica
A. Freqüência inicial do biótipo resistente
Anos para seleção da população resistente,
dependendo do grupo de herbicida
Grupo de herbicidas
Inibidores de ALS
Inibidores de ACCase
Inibidores da biossíntese de caroteno
Inibidores da fotossíntese (Fotossistema II)
anos
4
6-8
~10
10 - 15
Inibidores da fotossíntese (Fotossistema I)
10 - 15
Inibidores da tubulina (Trifluralina)
~10 - 15
Auxinas sintéticas (2,4-D)
~20
Vidal & Fleck, 1997 – adaptado de Preston, 2003
Inicialmente ocorrem “falhas” na forma de reboleiras
Simulação da evolução da resistência em função aplicação
repetitiva de um herbicida inibidor da ALS.
15
NPRM2
PRR
8
Planta daninha gene R dominante e autógama
6
Eficácia do herbicida = 98%
4
10
5
Freqüência inicial de R =
2
10-8
0
0
0
2
4
6
8
Número de anos
2) (Ovejero & Christoffoleti, 2002)
Número deNPRM2
plantas resistentes/m2 (NPRM
PRR
B. Dominância dos alelos resistentes
C. tipo de fecundação
D. e número de alelos
Mecanismo de ação
Inibidores da ACCase
Inibidores da ALS
Hormonais
Inibidores do FSI
Inibidores do FS2
Inibidores da tubulina
1Herança
Tipo de polinização
Dominância do alelo
Autógama, alógama
Semidomiante
Autógama, alógama Dominante, Semidomiante
Alógama
Dominante
Autógama, alógama Dominante, Semidomiante
Autógama, alógama Maternal1 (Semidomiante)2
Autógama
Recessivo
maternal não envolve recombinação gênica; 2Casos de herança nuclear
onde a metabolização é o mecanismo de resistência.
Fonte: Vidal & Fleck, 1997.
Anos - 30% de freqüência do biótipo R
(Gressel & Segel 1985)
2 recessivos 1 recessivo + 1 dominante
ou
ou
4 dominantes
3 genes dominantes
1 recessivo
ou
2 dominantes
Freqüência inicial do biótipo resistente
1 dominante
Herança da resistência em biótipos de E. Heterophylla
Vargas et al., 2001
- A resistência aos herbicidas inibidores da ALS é
controlada por um alelo nuclear dominante
- Não há diferenças no grau de resistência entre os
biótipos homozigotos resistentes e heterozigotos
quando submetidos a aplicações de inibidores da
ALS, sugerindo-se de tratar de um caso de
dominância completa para este gene
E. Adaptação ecológica
- capacidade do biótipo em manter ou aumentar sua
proporção ao longo do tempo em uma população
Diferenças fisiológicas na fixação de CO2 entre biótipos resistentes (R) e
suscetíveis (S) aos herbicidas inibidores da fotossíntese.
Espécies
Parâmetros
Biótipo (R)
Biótipo (S)
-2 -1
mg CO2 dm h
66,0
82,5
A. hybridus
nmol CO2 cm-2 s-1
1,5
1,8
S. vulgaris
mg CO2 dm-2 h-1
17,8
41,7
A. retroflexus
41,0
48,0
P. laptipholeum mg CO2 dm-2 h-1
-2 -1
nmol CO2 cm s
1,7
2,0
B. campestris
-2 -1
ug CO2 m s
49,0
56,0
A. hybridus
Fonte: Christoffoleti, 1997.
CURVAS DE CRESCIMENTO DOS BIÓTIPOS DE B.
pilosa R E S AOS HERBICIDAS INIBIDORES DA ALS
140
Biomassa (g/pl.)
120
100
Suscetível
80
B id e n s S
B id e n s R
60
40
Resistente
20
(Christoffoleti, 2000)
0
0
14
21
28 35
42
49 56
63 70
Dias após semeadura
77
84 91
CURVAS DE CRESCIMENTO DOS BIÓTIPOS DE E.
heterophylla R E S AOS HERBICIDAS INIBIDORES DA ALS
(Brighenti et al, 2001)
Resistente
Suscetível
2.2.2 Fatores bioecológicos que interagem no
desenvolvimento da resistência a herbicidas
- Espécie
- Número de gerações por ano e taxa de
reprodução
- Longevidade das sementes no banco de
sementes
- Densidade da espécie
- Suscetibilidade da planta daninha ao
herbicida
2.2.3 Fatores agronômicos que interagem no
desenvolvimento da resistência a herbicidas
1. Característica do herbicida
- Grupo químico
- Residual
- Eficiência de controle
- Dose utilizada
- Característica do herbicida
Predição do surgimento de plantas daninhas resistentes em
função do grau de eficiência do herbicida (Fonte: Powles et
al., 1997, citado por Merotto Jr, 1998).
2.2.3 Fatores agronômicos que interagem no
desenvolvimento da resistência a herbicidas
2. Práticas culturais
- Utilização exclusiva de herbicidas no
controle de plantas daninhas
- Uso repetitivo do mesmo herbicida ou
de herbicidas com o mesmo mecanismo
de ação
- Freqüência de aplicação
- Sistema de cultivo
Opções de manejo
Mistura ou rotação
de herbicidas
Formas de controle
Baixo
> 2 mec. de ação
Cultural, mecânico
de plantas daninhas e químico
Uso do mesmo mec.
de ação por ciclo
Sistema de cultivo
Resistência relativa
ao mec. de ação
Nível de infestação
Controle nos últimos
3 anos
Moderado
2 mec. de ação
Cultural e químico
Alto
1 mec. de ação
Somente químico
Uma vez
Mais de uma vez
Muitas vezes
Rotação plena
Rotação limitada
Sem rotação
Desconhecida
Limitada
Comum
Baixo
Moderado
Alto
Bom
Decrescente
Baixo
Porquê alto risco de seleção de populações
resistentes aos inibidores da ALS?
- uso repetitivo na agricultura
- alta eficácia
- atividade residual no solo
- resistência determinada geneticamente por
locus simples-semi-dominante
- alelo R tem efeitos mínimos na adaptabilidade do
biótipo R na ausência do herbicida
- mutações pontuais que podem conferir
resistência a um ou mais herbicidas inibidores
da ALS
Sequenciamento do DNA de Bidens que
codifica a região de domínio A da ALS
5’
Extração
Gene ALS
3’
PCR
DNA Total
Fragmento
Amplificado por PCR
Clonagem
...ATCGGTAC...
Sequenciamento
Plasmídio
PUC 18
Seqüência de aminoácidos na ALS
A122 P197 A205
W574
S653
CTP
0
100
200
300
400
500
600
Número do aminoácido
Em todos os casos de resistência estudados até o
momento a resistência aos inibidores da ALS tem sido
atribuída a mudanças na seqüência dos aminoácidos
(Sathasivan et al. 1990)
Razões do baixo risco de seleção de
populações resistentes ao glyphosate
1. Aplicado há mais de 25 anos na agricultura
2. Poucos casos de populações resistentes (4 spp R)
2. Freqüência inicial baixa do biótipo
resistente ao glyphosate:
Teoria de saturação mutagênica com
Arabidopsis thaliana Heynh.
Não foi possível isolar mutantes a partir de
populações induzidas a mutações
Para os inibidores da ALS foram obtidas
altas freqüências de mutantes resistentes
3. Tecnologia atual da EPSPS
 Substituição da alanina por uma glicina na posição
96 da Escherichia coli conferiu resistência ao
glyphosate
 Plantas transgênicas exibiram altos níveis de
resistência ao glyphosate
 Este tipo de mutação gerou efeito paralelo
(pleiotrópico) de redução da afinidade da EPSPS
ao PEP que torna a planta incapaz de produzir a
demanda de aminoácidos aromáticos
 Planta menos competitiva e que não
estabeleceria dentre as plantas daninhas
se
3. Tecnologia atual da EPSPS
 O gene que codifica a EPSPS resistente ao
glyphosate utilizado na cultura de soja é de strains
de Agrobacterium spp. (CP4)
 O grau de homologia da seqüência de aminoácidos
entre a EPSPS da CP4 e das plantas é de 23 a 41%
 Portanto, seria impossível um gene de planta
daninha para EPSPS sofrer mutação tão drástica
que fosse altamente resistente e que apresentasse
afinidade ao PEP
4. Características bioquímica, química e
biológica
 Apresenta estrutura química singular
Os herbicidas aplicados em mistura ou em
rotação com o glyphosate apresentam
mecanismos de ação alternativos
 Esta rotação ou mistura de herbicidas é
comprovadamente uma estratégia
recomendada para prevenção e manejo de
populações resistentes
Seleção de plantas daninhas tolerantes ao glyphosate
Corda-de-viola
Trapoeraba
14C absorvido
% glyphosate
% 14C-glyphosate
absorption
Absorção de 14C-glyphosate por Commelina benghalensis,
Ipomoea grandifolia, Amaranthus hybridus e Glycine max
resistante (R) e susceptible (S) ao glyphosate.
100
90
80
C. benghalensis
70
I. grandifolia
60
50
C. benghalensis
I. grandifolia
A. hybridus
R G. max L.
S. G. max L.
40
30
20
10
0
2.00
4.00
8.00
12.00
24.00
48.00
72.00
Horas
apóstreatment
tratamento
Hours after
Monquero et al. (2002)
- lipofílica
+ lipofílica
Cromatografia de camada fina das ceras epicuticulares com
os valores de Rf (hidrocarbonos (rf=0.9), éster (rf=0.8),
alcoóis secundários (rf=0,4), álcool primário (rf=0,1).
O glyphosate é predominantemente hidrofílico (ácido fraco)
C. benghalensis
I. grandifolia
A. hybridus
Monquero et al. (2002)
Microscopia eletrônica da superfície foliar
C. benghalensis
I. grandifolia
A. hybridus
Monquero et al. (2002)
Efeito da aplicação seqüencial de glyphosate transorb
30 DAA
Intervalo entre as aplicações = 15 dias
100
15 DAA
grama-boiadeira
% de controle
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Doses
2+1
1
2+2
2 2+2,5
3 2,5+1
4 2,5+2
5
2,5+2,5
6
37
4
8
59
Test.
15 DAA 20,0 21,7 13,3 26,7 26,7 35,0 33,3 60,0 53,3
0,0
30 DAA 71,7 80,0 88,3 68,3 90,0 98,3 63,3 81,7 78,3
0,0
Tratamentos
Monsanto, 2002
A. hybridus (sementes/m2) nas
diferentes avaliações
700000
Testemunha
Sementes/ m 2
600000
0,36 kg/ha
500000
400000
1,44 kg/ha
300000
2,88 kg/ha
200000
100000
0
1
2
3
4
Número de aplicações de glyphosate
5
C. benghalensis (sementes/m2) nas
diferentes avaliações
80000
Testemunha
70000
0,36 kg/ha
Sementes/m 2
60000
1,44 kg/ha
50000
2,88 kg/ha
40000
30000
20000
10000
0
1
2
3
Número de aplicações de glyphosate
4
2.3 Bases para a resistência de plantas
daninhas a herbicidas
2.3.1 Perda de afinidade do herbicida pelo local de ação
Sulfoniluréias
Imidazolinonas
Piruvato
Piruvato
-acetolactato
VALINA
LEUCINA
Treonina
-cetobutirato
ALS
-aceto--hidroxi butirato
--dihidroxi--metilvalerato
ISOLEUCINA
2.3.2 Metabolismo e detoxificação do herbicida
Herbicida
Herb.
OH
Fe3+
Fe3+.Herbicida
fp2
XOOH
NADPH
e-
Fe3+. Herb.
O
O2
H2O
Fe2+.Herb.
CO
Fe2+. Herb.
hv
CO
H 2O 2
Fe3+. Herb.
O2 =
Fe2+. Herb.
e-
O2
O2
Cyt. b5
fp1
NADH
2.3.3 Redução da concentração do herbicida no local de
ação (compartamentalização)
Cl
N+
e-
N+
Cl
Paraquat++.
2O2
Paraquat
Cl
N
.
.
2O2
N
2H+ + 2H2O
2H2O2
Cl
Destruição
das membranas
2.3.3 Redução da concentração do herbicida no local de
ação (compartamentalização)
Cl
N+
e-
N+
Cl
Paraquat++ .
2O2
Paraquat
Cl
N
.
.
2O2
N
Cl
2H+ + 2H2O
2H2O2
Vacúolo
2.3.4 Superprodução do alvo de ação do herbicida
Quantificação do nível da EPSPS na planta
t = 0 h + glyphosate
t = 48 h + glyphosate
Nível de EPSPS na planta
25
20
15
10
5
0
S
I
R
Linhagens de L. rigidum
H
Número de biótipos resistentes
2.4 Casos de resistência registrados no
Brasil (situação mundial e brasileira)
300
260 biótipos resistentes, 156
espécies (94 dicot e 62 monocot)
em mais de 210.000 campos
250
200
150
100
50
0
1950
1960
1970
1980
Ano
1990
2000
Plantas Daninhas Resistentes a Herbicidas no Brasil
Espécie
Nome Comum
Ano
Mecanismo de ação
1. Bidens pilosa
Picão-preto
1993
Inibidores da ALS
2. Bidens subalternans
Picão-preto
1996
Inibidores da ALS
3. Brachiaria plantaginea
Capim-marmelada1996
Inibidores da ACCase
4. Cyperus difformis
Junquinho
2000
Inibidores da ALS
5. Echinochloa crus-galli
Capim-arroz
1999
Auxinas sintéticas
6. Echinochloa crus-pavonis
Capim-arroz
1999
Auxinas sintéticas
7. Euphorbia heterophylla
Amendoim-bravo 1992
Inibidores da ALS
8. Fimbristylis miliacea
Cominho
2001
Inibidores da ALS
9. Sagittaria montevidensis
Sagitária
1999
Inibidores da ALS
10. Digitaria ciliares
Capim-colchão
2001
Inibidores da ACCase
Plena florada
gala
fuji
Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Jan. Fev. Mar. Abr. Mai.
Brot. Flor.
Planta daninha de “inverno”
Frutificação
Colheita
Planta daninha de “verão”
roçadeira
Entrelinha – não usar grade ou herbicidas
pré
linha – herbicidas
pós (até 45 dias da colheita
pré
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
 Definições: tolerância x resistência
 Fatores que determinam o aparecimento da
resistência
 Conhecimento dos mecanismos de
resistência é importante para a adoção de
estratégias de manejo
 Evolução do número de casos de resistência
no Brasil e no mundo
Muito obrigado
Pedro Jacob Christoffoleti
ESALQ/USP - Dep. Produção Vegetal
Piracicaba - SP - C. P. 09
13418-900
Fone - 19 - 3429 4190 – Ramal 209
E-mail - [email protected]