Folie 1 · Mannervik et al. 1989, Williamson & Beverly 1987 • Konjugation von Produkten des...

Cross-resistance

is resistance by a weed biotype to two or more herbicides due to

the presence of a single resistance mechanism.

Multiple resistance

refers to situations where resistant biotypes possess two or more

distinct resistance mechanisms.

Negative cross-resistance

is the increased susceptibility of a herbicide resistant biotype to

some herbicides with other modes of action or degradation pathways.

Genetically modified (GM) herbicide resistant crops

possess inserted genes that confer herbicide resistance in a previously

susceptible crop.

Wie wird man resistent ?Die Resistenzrate hängt von Wildkraut- und Herbizid-Charakteristika ab

Pflanze: Genfrequenz, Lebensdauer in der Diasporenbank, Fitness nach Anwendung

Herbizid: Effektivität, Dosis, Applikationshäufigkeit, Bodenpersistenz

Modelle: Selektionsdruck erzeugt Resistenzen (Dosis, Häufigkeit, Effizienz)

Selektionsdruck senken:

- durch Mischungen mit unterschiedlichen Wirkorten

- durch Mischungen mit unterschiedlichem Abbauverhalten

- durch Herbizidrotation, unter Einbezug persistenter Herbizide

Dosisreduktion erhöht das Risiko der Resistenz, bei Rotation kommt das Risiko der

Polygenischen Resistenz hinzu (resistance that depends on more than one gene and appears as progressively increasing resistance levels from one plant generation to the next (Cousens and Mortimer 1995).

Resistenz für Triazine 10-18, für Sulfonylharnstoffe 10-6 Pflanzen pro ha.

Resistente Echinochloa

Xenobiotika-Entgiftung in Pflanzen und Tieren

H IBOe – Abteilung Rhizosphärenbiologie

Xenobiotic,Pesticide

Phase I:activation

Phase II:detoxification

Phase III:metabolism/excretion

oxidation, reduction, hydrolysis

conjugation:glutathionesugarsamino acids

cleavage, transport,residue formation

H Institute for Soil Ecology Shimabukuro 1979, Sandermann 1992, Schröder 1997


Erste Bestätigung für das Modell: Diclofop-Methyl

Shimabukuro et al. 1979

Phase I: P450 Monooxygenasen

http://www.drnelson.utmem.edu http://www.biobase.dk/P450/


P450 Gene: A. thaliana 239, Chlamydomonas 38, ca. 80 Familien

P450 Isoformen in Weizen für die Entgiftung von Isoproturon


Häufigste Reaktionen:HydroxylierungenRing-HydroxylierungenDemethylierungenDesaminierungen

Glycosyltransferasen – machen die Welt farbig, würzig und gefährlich...


Zur Biochemie der Glucosid-Bildung

X + UDP-Zucker X-Glycoside + UDP (Ciamician & Ravenna 1916, Yamaha & Cardini 1960, Harborne 1964, Corner & Swain 1965)

Flavonoide, Anthocyanine, Betalaine, Alkaloide (Schulz & Weißenböck, 1985; Bokern et al. 1991)

Phenylpropanoide, Hydroxyzimtsäuren (Barz et al. 1985; Stafford& Ibrahim 1991)

Xeno + UDP-Glucose Xeno-Glucoside + UDP

Chlorphenole (Miller 1941)

Zahlreiche Pestizide & Agrochemikalien (Frear et al. 1974 ...

X-Glucoside + Nucleotide X + Glc-Nucleotide(Sutter & Grisebach 1975, Heilemann 1990)



meist ß-1-D-Bindungselten ß-3 und ß-5-KonjugateSignal für Transport ?Hydrolyse häufig (Glc.ase),Kompartimentierung !UDP-Glucose

Xenobiotikuum-OH, -NH, -SH, COOH

Glucosyl-Transferase

UDP

O-Glucoside

N-Glucoside

S-Glucoside

Glc-Ester

Eigenschaften der Glycoside

• Glycoside sind erheblich weniger reaktiv als Aglyca• Glc. sind hydrophil• Glc. dienen der Entgiftung endogener Metaboliten • Glc. können kompartimentiert werden • Physiologische Rolle: Pathogenabwehr, Allelopathie,

Signalling

(Hösel 1981, Bartz 1985, Matile 1984, Rhodes 1985, Balke Schulz 1987)


Maize

Potato

Rape

B. rapawheat (s)wheat (p)wheat (r)

Soya ccwheat cc

0

5

10

15

20

activity [pkat/mg]

PCP O-GTPCP O-GTDCA N-GTDCA N-GT

GT activities in wheat cell culture

days of growth

0 2 4 6 8 10 12 14 16

GT

activ

ity [p

kat/m

g]

0

2

4

6

8

10

12

14

fresh

wei

ght [

g]

0

1

2

3

4

5

6MH PCP DCA FWt

Wheat plants

BBCH Code [age]

GT

activ

ity [p

kat/m

g]

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

MH PCP DCA

roots ofBBCH 59

seedlingBBCH 12

tilleringBBCH 32

floweringBBCH 59

ripeningBBCH 72


Metribuzin Soybean N-glucoside Smith & Wilkinson 19742,4-D Tobacc o ß-glucoside Nakamura et al. 1985Metribuzin Potato sugar conjugate Gawronski et al. 1985Bentazon Soybean 6-O /8-O-gluc. Sterling & Balke 1989Mecoprop Chickweed ester... Coupland et al. 1990

Oligo-Glucoside unlöslich-Glu-Glu- etc. immobil

-Arabinose „gebundener Rückstand“-Xylose in der Zellwand

Malonyl-Glucoside in der Vakuolenicht metabolisierbar

Malonylierung auch direkt lösliche Speicherform

Mono-Glycoside

Sekundärkonjugation und Malonylierung

Glutathion-Konjugation – die Lösung für viele Problemstoffe

(A): Nucleophilic Displacement

(B) Nucleophilic Addition (Michael-Reaction)

(C) Conjugation at Non-Carbon-Sites

IBOe-ARB H

Verfügbarkeit von Glutathion(analoga)Elektrophile Funktion am Target-MolekülPräsenz der korrekten GST- Isoform

Glutathion S-Transferasen

4 Familien40 Gene in A. thaliana50 % sequenzhomologorganspezifisch

0,0

0,2

0,4

0,6

pro t

ein

(mg/

ml)

0

4

8

12

16L3 B

GST

act

ivity

(nm

ol m

in -1

ml -

1 )

4

5

6

7L2

pH

pH gradient

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 260,0

0,2

0,4

0,6

fraction number

T3

T1

prot

ein

(mg/

ml)

protein

0

5

10

15

20

GST

act

ivity

(nm

ol m

in - 1

ml -

1 )

4

5

6

7

T2

pH C

0,0

0,2

0,4

0,6

J3

J2a

prot

ein

(mg/

ml)

0

10

20

30

40

GST(CDNB) activity GST(DCNB) activity

GST

act

ivity

(nm

ol m

in - 1

ml -

1 )

4

5

6

7 J2b

J1

pH A

dimere Proteine50 kDIEP 4-6, Isoformenhochspezifisch f. GSH

IBOe-ARB H

Antidote oder Safener

Induzierbarkeit der GST in Pflanzen

IBOe-ARB H

-50

0

50

100

150

200

CGA 185072 fenc lorim fluxofenim benoxacor

CDNB -K onjugation

GST

Akt

ivitä

t [ %

] übe

r Kon

trolle

0 100 200 300 400 500

0

200

400

600

800 DCNB -K onjugation

K onz entration des S afeners [µM]

Natürliche Funktion: Konjugation von Naturstoffen und Hormonen ?

Kooperation: G. Weißenböck, Köln, M. Klein, Zürich IBOe-ARB H

Natürliche Funktionen der GST• Entgiftung von Lipidperoxiden

Mannervik et al. 1989, Williamson & Beverly 1987

• Konjugation von Produkten des SekundärstoffwechselsDiesperger & Sandermann 1979, Edwards & Dixon 1991, Dean et al.

1995

• Konjugation von Phytohormonen: IAA, Ethylen, GALamoureux & Frear 1987, Meyer 1991, Takahashi & Nagata 1992,

Palme et al. 1993

• Konjugation von DNA-AbbauproduktenMorgenstern & DePierre 1986

• Entgiftung von Pilztoxinen/PathogenabwehrDudler et al. 1991, Mauch & Dudler 1992

• Regulation des GSH-PoolsLamoureux & Rusness 1989

• Transport von (Thio)Phenol, Chlorophyllin, AnthocyanenMartinoia & al. 1992, Singh 1988, Marrs & al. 1995

• Erhöhung der TrockentoleranzDhinsa 1991

• Antioxidatives SchutzproteinLevine et al. 1995


S -D in itrobenzen e -G S [µ M ]

0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5

GR

Inhi

bitio

n [%

]

-20

0

20

40

60

80

100

120 Reaktivität mit BiomolekülenRevertierbarkeit der KonjugationStörung der Enzym-KatalyseDNA-AddukteStörung von Signalwegen

IBOe-ARB H

Wohin mit dem Rest ? – Phase III

Abbau von Konjugaten in der Pflanze

IBOe-ARB HSchröder & Lamoureux, 1989, 1992, 1994

Kompartimentierung als Teil eines übergeordneten Konzepts: die Phase IV

Entgiftung und SignalwirkungAblagerung in der Vakuole / Interzelluläre SignaleEinbau in Zellwand: Tod der ZelleVerflüchtigungExsudation

3

Xenobiotic (X)

X + GSH

XGSXGS X Cys

Glu+Gly

X Cys+Glu

XGS XGS?

?

GST

mGST

XCysGlu

XCys

Nuc.CS-Lyase/DeaminaseSAM-CH -Transferase

Malonyl/Glucosyl-Transferase

Apoplast

gebundene Rückstände, Exkretion

3

Vacuole

PS, H

CAR.

from: Schröder 1997

?

IBOe-ARB H

Ubiquitärer Stoffwechselweg, entgiftet viele Pestizide

Resistenz gegenüber Pestiziden in Unkräutern Zwischenlagerung entgifteter Konjugate in der VakuoleKonjugate werden transportiertNatürliche Funktion: Konjugate sind eventuell Signale

für pflanzliche AbwehrMetaboliten werden gebunden oder ausgeschieden

Wirkungen auf Bodenbakterien und Mykorrhiza ?Flüchtige Metaboliten in der Atmosphäre

Allelochemikalien aus diesem Stoffwechselweg ?Einfluss auf die Rhizosphäre – Forschungsbedarf

Entgiftung von Xenobiotika durch Pflanzen - Zusammenfassung

Pre-emergence herbicide

Residues formed with soil;Ground water pollution

Post-emergence herbicide

soil applicationlong residence timehigh sorptivityLog KOW 0 to 4xylem mobile, systemic

plant applicationrapid photodegradationhigh cuticle penetration rateLog KOW -2 to 2phloem mobile, systemic

Residues formed with plant matter;Danger of surface water pollution

Unterschiede in der Applikation

Wohin gelangen Herbizide in der Natur?

• Normale Aufwandsmengen • Normale Applikation• Benetzung der Zielpflanzen• Benetzung der Nutzpflanzen• Photochemie• Bodenpenetration• Migration in Oberflächengewässer• Einfluss auf des Grundwasser

Modellstudien

• Pflanzenverfügbarkeit der Wirkstoffe

Lignin stabilisiert Zellwände und führt zum Tod der Zellen

Lignin ist ein komplexes Polymer

Biosynthese von Lignin

Cellulasen:Endo-ß-1,4-glucanaseCellobiohydrolaseß-Glucosidase

Pektinasen:Endo-Exo-PectolyaseEndo-Exo-PolygalacturonasePektin-Methylesterase

ß-1,4-Xylanaseß-Xylosidaseα-ArabinofuranosidaseArabinaseα-Glucosidaseß-1,3-Glucanaseß-1,3-ß-1,4-Glucanaseα-Galactosinaseß-Galactosinaseß-1,4-Galactosinaes

LigninasenProteasenPhospholipasen


Gebundene Rückstände in der Zellwand

Wie lange bleibt Lignin stabil ?

• Bis ein Pilz Hunger hat:• Phanerochaete „durchsucht“ Biomasse nach

Stickstoff

Huminsäure

Lysimeter zur Untersuchung des Sickerverhaltens

Lysimeter in der GSF

• Nicht gefüllt sondern gestochen...

• 4 typische bayerische Böden (3 T)

• größte Anlage in Deutschland

Verbleib in Bodenfraktionen

Aerober Abbau von PSM im Boden

Anaerober Abbau von PSM im Boden

Die EU Chemikaliengesetzgebung greift:

Entscheidungen sind zu treffen…• Bei der derzeitigen Bevölkerungsentwicklung ist nicht damit zu

rechnen, dass Nahrungsmittel ohne Pestizideinsatz erzeugt werden können.

• Adäquate Applikationsmethoden, zielsichere Anwendung und Risikoforschung sind unabdingbar

• Wissen über die Wirkung in Nutz- und Nahrungspflanzen und in Zielorganismen ist vonnöten

• Ohne pflanzenphyisologische Forschung und Verständnis der beteiligten Prozesse ist kein sicherer Einsatz von Wirkstoffen möglich

• Der Verbleib in der Umwelt, das Risikopotenzial und die toxikologischen Eigenschaften müssen bekannt sein

• Künftige Pflanzenforscher müssen nach neuen und sicheren Wirkorten für Herbizide forschen, damit die Nahrungsproduktion verbessert und umweltfreundlicher gemacht werden kann.

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