Annual ragweeds (Ambrosia artemisiifolia and Ambrosia trifida): adaptive response to chemical weed control and population connectivity in agricultural landscapes
Les ambroisies annuelles (Ambrosia artemisiifolia et Ambrosia trifida) : réponse adaptative au désherbage chimique et connectivité des populations dans les paysages agricoles
Résumé
The primary aim of this work was to study the risk of resistance evolution to acetolactate synthase (ALS) inhibiting herbicides in mugwort (Ambrosia artemisiifolia L.) through four points: (i) selection pressure (study of the efficacy of a range of ALS-inhibiting herbicides), (ii) the adaptive response capacity of the weed (determination of the variation in sensitivity to ALS inhibitors between plants and implementation of a recurrent selection programme), (iii) a field study (search for resistance to ALS inhibitors in the field in France), (iv) the study of resistance mechanisms (target-linked - TLR - and non-target-linked - NLR - by a transcriptomics approach). The second objective was to study the connectivity of A. artemisiifolia populations in agricultural landscapes using microsatellite markers developed during this work in order to determine the factors that could facilitate the dispersal of this species and of resistance at the agricultural landscape scale.
With regard to herbicide resistance:
The response of A. artemisiifolia to ALS inhibiting herbicides is highly variable between substances.
Plants surviving the maximum permitted dose and higher doses of metsulfuron were selected to start a recurrent selection programme. After two cycles of selection, there was an intensification of metsulfuron resistance and an emergence of imazamox and tribenuron resistance.
Three cases of imazamox resistance were identified in the field, including two cases of pure RNLC and one case of RLC - RNLC coexistence.
A transcriptome of A. artemisiifolia was generated using the PacBio sequencing technique to search for genes involved in RNLC mechanisms (RNAseq approach). 62 candidate genes were identified, including ABC transporters, cytochromes P450 and glutathione-S-transferases known to be involved in herbicide degradation.
For the study of population connectivity :
26 microsatellite markers were developed and revealed high genetic variability. Genetic structuring was studied on a large scale for A. artemisiifolia populations in Europe (invasion area) and North America (area of origin).
At a finer scale (agricultural landscape), the genetic structure of populations is still influenced by colonisation events. The migration events that have been identified between areas of ragweed presence suggest moderate gene flow (pollen/seed) and connectivity at the scale of an agricultural territory. In agricultural environments, dispersal of herbicide resistance alleles could easily occur from close to home via pollen flows, and also at longer distances via seed dispersal. Anthropogenic activities play a major role in seed dispersal (agricultural machinery, contaminated seed lots...).
Analysis of the reproductive system confirmed that this species is allogamous, which leads to significant intra- and inter-population gene flow.
The knowledge acquired in the course of this work could help to develop better adapted control strategies to efficiently fight against A. artemisiifolia in order to limit its expansion, such as
Diversified weed control strategies: combination of mechanical (including false seeding) and chemical control (diversification of herbicide modes of action).
Extending and diversifying crop rotations by favouring winter crops and/or covering and competitive crops.
This knowledge could also be used to combat another weed of the Ambrosia genus, Ambrosia trifida.
Ce travail a eu pour but premier d’étudier le risque d’évolution de la résistance aux herbicides inhibiteurs de l’acétolactate synthase (ALS) chez l’ambroisie à feuilles d’armoise (Ambrosia artemisiifolia L.) à travers quatre points : (i) la pression de sélection (étude de l’efficacité d’une gamme d'herbicides inhibiteurs de l’ALS), (ii) la capacité de réponse adaptative de l’adventice (détermination de la variation de la sensibilité aux inhibiteurs de l’ALS entre plantes et mise en place d’un programme de sélection récurrente), (iii) une étude de terrain (recherche de résistance aux inhibiteurs de l’ALS au champ en France), (iv) l’étude des mécanismes de résistance (liée à la cible – RLC – et non liée à la cible – RNLC – par une approche de transcriptomique). Le second objectif fut d’étudier la connectivité des populations d’A. artemisiifolia dans des paysages agricoles à l’aide de marqueurs microsatellites développés lors de ce travail afin de déterminer les facteurs qui pourraient faciliter la dispersion de cette espèce et de la résistance à l’échelle du paysage agricole.
En ce qui concerne la résistance aux herbicides :
La réponse de d’A. artemisiifolia aux herbicides inhibiteurs de l’ALS est très variable entre substances.
Des plantes ayant survécu à la dose maximale autorisée et à des doses supérieures de metsulfuron ont été sélectionnées pour débuter un programme de sélection récurrente. Après deux cycles de sélection, on observe une intensification de la résistance au metsulfuron et une émergence de la résistance à l’imazamox et au tribénuron.
Trois cas de résistance à l’imazamox ont été identifiés au champ dont deux cas de pure RNLC et un cas de coexistence RLC – RNLC.
Un transcriptome d’A. artemisiifolia a été généré grâce à la technique de séquençage PacBio pour rechercher des gènes impliqués dans les mécanismes de RNLC (approche RNAseq). 62 gènes candidats ont été identifiés dont des transporteurs ABC, des cytochromes P450 ainsi que des glutathione-S-transférases connus pour être impliqués dans la dégradation des herbicides.
Pour l’étude de la connectivité des populations :
26 marqueurs microsatellites ont été développés et ont révélé une forte variabilité génétique. La structuration génétique a été étudiée à grande échelle pour des populations d’A. artemisiifolia d’Europe (aire d’invasion) et d’Amérique du Nord (aire d’origine).
À une échelle plus fine (paysage agricole), la structure génétique des populations reste influencée par les évènements de colonisation. Les événements de migration qui ont été identifiés entre zones de présence de l’ambroisie suggèrent des flux de gènes (pollen/semences) et une connectivité modérés à l’échelle d’un territoire agricole. Dans les environnements agricoles, la dispersion des allèles de résistance aux herbicides pourrait se faire facilement de proche en proche via les flux de pollen, et également à plus longue distance via des dispersions de graines. Les activités anthropiques jouent un rôle majeur dans la dispersion des semences (machineries agricoles, lots de semences contaminés…).
L’analyse du système de reproduction a confirmé que cette espèce est allogame ce qui entraine des flux de gènes intra- et inter-populations importants.
Les connaissances acquises au cours de ce travail pourront aider à développer des stratégies de contrôle mieux adaptées, pour lutter efficacement contre A. artemisiifolia afin de limiter son expansion, telles que :
Des stratégies de désherbage diversifiées : combinaison de lutte mécanique (dont faux semis) et chimique (diversification des modes d’action herbicides).
Un allongement et une diversification des rotations de cultures en favorisant des cultures d’hiver et/ou des cultures couvrantes et compétitrices.
Ces connaissances pourront aussi être utilisées dans la lutte contre une autre espèce adventice du genre Ambrosia, Ambrosia trifida.