耐低温延迟Quizalofop代谢在冬小麦和三个年度草坪杂草物种

介绍

对小麦的CoAXium™小麦生产系统中心与AXigen™quizalofop阻力特征(大树枝et al ., 2021)。AXigen™特质是丙氨酸,缬氨酸突变位置2004小麦乙酰辅酶a羧化酶(ACCase) (Ostlie et al ., 2015)导致酶构象变化,给予抗quizalofop酸(QZA) (大树枝,达扬2021)。原QZA-resistant冬小麦突变到达科罗拉多州立大学被发现。纯合子的电阻突变两三个小麦sub-genomes introgressed易感精英遗传背景。高性能后代选择和发布的初始CoAXium™品种与科罗拉多小麦研究基金会合作,LLC。每年的系统提供有效的萌发后控制杂草丛生的草在冬小麦控制选择是有限的,并搭配了一个管理程序来缓解发展抗除草剂杂草。

小麦生产系统由一个定制的CoAXium™proherbicide quizalofop-p乙(QPE)制定商标名侵略者™。proherbicide被动地穿透表皮组织,随后bioactivated活动QZA carboxyesterases形式的小麦和其他草地物种(Haslam et al ., 2001;康明斯和爱德华兹,2004)。

虽然QPE应用更可取在冬小麦的早期生长阶段(即。,4th leaf stage) to provide maximal weed control, environmental conditions may rapidly change from ideal to sub-optimal after treatment. Spring herbicide applications in High Plains winter wheat production are particularly risky due to unpredicted weather shifts that can cause sudden temperature plunges, as decreased temperatures proceeding herbicide application may result in unintended crop injury. For example, cooler temperatures causes crop injury after the application of 2,4-D alone or in combination with dichlorprop, as well as a mixture of dicamba, MCPA, and mecoprop in a Canadian winter wheat study (罗宾逊et al ., 2015)。

植物适应冷可能容忍除草剂尽管气温降低,饭一样(栽培稻l .)和bispyribac (马提尼et al ., 2021)。相反,减少温度通常会抑制植物的生长和代谢缓慢,特别是在植物dehardened,或失去了适应低温对大多数植物在春天一样。原因之一是,大多数酶的最佳温度范围和偏离最优范围导致酶活性降低。最优酶通常是零上温度范围。此外,除草剂吸收、易位、积累、新陈代谢,封存可能阻碍在低温下(Kudsk Kristensen, 1992;Ghanizadeh哈林顿,2017),否则可能解释作物受伤由于安全的除草剂。

在某些情况下,除草剂效果依赖于温度,温度的高低可以通过改变除草剂运动影响疗效或新陈代谢。温度对除草剂药效的影响可能是物种相关,证明了一项研究,增加空气温度从18到30°C减少fluazifop功效在狗尾草Setaria冬青(l)测定。)除草剂利率较低,但并不影响日本粟(Echinochloa frumentaceae链接)控制(Smeda和普特南,1990)。不同的研究2,4 - d和草甘膦除草剂药效常见(特别美味的食物artemisiifolial .)和巨大的豚草(答:trifidal .)显示改进的功效在更高的温度下(29°C白天晚上/ 17°C和20°C / 11°C)由于增加吸收和易位,无论生物型易感性或抗性(Ganie et al ., 2017)。最佳温度与除草剂代谢相关酶活性的变化,在最佳的温度通常加强杂草的除草剂解毒。帕默苋菜Pyrithiobac抑制增长(苋属palmeri美国寺庙)。最温和的温度(27°C)相比,低(18°C)或高温(40°C) (马汉et al ., 2004)。研究人员提出,温和,理想的温度降低酶参与代谢活动在中等温度,但低温或高温条件下增强活动,因此导致除草剂药效降低。Thermal-dependency建立了谷胱甘肽还原酶,酶参与除草剂代谢,在菠菜(菠菜oleraceael .)、玉米(玉米l .),黄瓜(Cucumis巨大成功l .) (马汉et al ., 1990)。在另一项研究中,增加每日温度从16°C / 10°C到34°C / 28°C会导致增加新陈代谢,因此减少的效果pinoxaden在冬天四个年度草地物种(Matzrafi et al ., 2016)。

研究低温对小麦或杂草的影响新陈代谢的是由于潜在的不可预见的与温度有关的受伤后QPE应用CoAXium™冬小麦。我们的研究的目的是调查的影响减少温度对QZA内容和代谢后除草剂应用CoAXium™冬小麦和三个杂草物种(柔和的布罗姆(叶片tectoruml],野生黑麦[Secale cerealel],贴合goatgrass [山羊草属cylindrica主机)。我们专注于除草剂代谢的倾向这种机制来克服损伤和几个已知情况下的存在阻碍了除草剂代谢在低温下。测量我们的新陈代谢,这依赖于液相色谱耦合串联质谱(质/ MS)目标和量化QZA在植物组织内,也可以作为proherbicide吸收和de-esterification的一项指标。

材料和方法

植物材料和初始生长条件

最初,温度对QZA新陈代谢的影响在两个冬小麦品种了。品种是CoAXium™品种LCS融合AX和斜坡AX,这两个来自EMS诱变的孵卵的种子和通过双抗QZA的突变纯合子的阻力ACC1基因A和d sub-genomes品种有着血统的孵卵的伯德和31% ~ 69%。

四个小麦种子播种每10 10厘米的容器的泥炭温室无土媒体和发芽。2周后,幼苗开始节理和被转移到一个寒冷的房间6周的春化处理。寒冷的房间被保持在4.5°C (40°F)和60%相对湿度为13.5 h每天提供的光。

这项研究扩展到三个冬季杂草丛生的年度草地物种:柔和的布罗姆,野生黑麦,贴合goatgrass。从科罗拉多州东北部Field-collected杂草种子表面消毒用10%漂白剂15分钟之前,用自来水冲洗5次湿滤纸的培养皿发芽。然后,杂草幼苗都被转移到相同大小的容器与等效小麦幼苗/容器。初始生长条件反映的小麦。

除草剂的应用程序

春化处理后,小麦植物搬到de-harden温室。一周半之后,QPE (Albaugh侵略者,Inc .)是应用于标记字段率相当于77.1 g ae公顷⁻¹(10.0盎司英亩⁻¹),0.25% NIS在一个通过40厘米以上植物树冠使用研究表喷雾器(模型创四世,Devries制造业、Hollandale、锰)。相同的协议之后杂草物种,除了减少QPE率相当于15.0 g ae公顷⁻¹(1.95盎司英亩⁻¹)。杂草物种减少的速度处理以避免死亡,使代谢分析。按照标签,全部推荐领域利率提供所有杂草物种的有效控制。小麦和杂草植物分蘖增长阶段的除草剂的应用程序。

温度条件

一半的每个小麦品种的植物和杂草物种被转移到一个受控的环境中日间温度19°C,而另外一半被转移到一个被控制的环境中日间温度为4.5°C。这两种环境中出现夜间温度4.5°C和raybet雷竞技下载地址60%相对湿度。昼长13.5 h的光提供132μmol的光子通量⁻²证券交易委员会⁻¹。温度条件之前和之后的除草剂的应用进行了总结表1。

代谢实验设计和收获

代谢试验的总体设计是两个小麦品种的三方析因设计或三个杂草物种由两个温度方案在五个离散时间点在两个重复试验。植物各小麦品种的收获来自温度方案1,2,4,8日和18 d治疗后(DAT),而每个杂草植物物种在收获1,2,4、9、16 DAT。小麦,每个种类和计算是五倍的组合,三到四个植物包括复制。第一次迭代的杂草代谢实验,也是五倍的物种和计算组合,尽管三到四个植物组成一个复制柔和的布罗姆和裂隙goatgrass野生黑麦及两个工厂。杂草物种复制在第二次试验中包括四个工厂。在收获、小麦和杂草射击组织被免职,重,用20% v / v丙酮在水中去除除草剂残留。芽被储存在−20°C到处理。

除草剂提取、检测和量化

QZA提取~ 2.5克植物组织使用修改后的QuEChERS(“快捷,方便,廉价、有效、崎岖、安全”)协议(Anastassiades et al ., 2003;袋et al ., 2015)。第一次均质样品在10毫升蒸馏水均质器探头。同等体积的乙腈0.1%甲酸添加每个样本。样本随后漩涡,然后在室温下混合10分钟和250 rpm。每个样本都立即被漩涡后,添加盐(4 g MgSO混合物₄和1克氯化钠)。诱导两相的分离,样品在室温下离心10分钟和4000×g。上层清液从每个样本过滤超纯液相色谱有0.2μm聚四氟乙烯(UPLC)分析。

UPLC仪器由一个Nexera X2 UPLC两LC-30广告泵,一个SiL-30 ACMP autosampler,脱气器DGU-20A5声望,CTO-30A列烤箱,和8040年三重四极检测器(日本岛津公司,京都,日本)。2.6μm 100×4.6毫米反相C18柱挤满了孔隙大小的100 (Phenomenex Kinetex)加热到40°C二元梯度分离。溶剂是蒸馏水和0.1% v / v甲酸和溶剂B是v / v甲酸乙腈为0.1%。一个控制器保持最小流量为0.400毫升⁻¹。样本加热到400°C和与他使用积极的电喷雾电离气体喷洒24 mL最小流动⁻¹。反溶剂在250°C与他进行气体干燥24 mL最小流动⁻¹。三重四极离子过滤非目标使用MRM模式的Q1 pre-bias−24.0 V, Q2 pre-bias−21.0 V, Q3 pre-bias−21.0 V。目标父离子离子有一个345.00 m / z,女儿被选为299.00 m / z。保留时间平均为3.2分钟。

样本分组通过计算和复制号码随机温度方案以便UPLC分析试验。样本注入10μL整除。前、中、后样本运行,连续稀释QZA分析标准(≥95%,Sigma-Aldrich)在乙腈0.1% v / v甲酸注入量化QZA通过线性校正曲线峰值计数。一些空白的复制也包含在示例运行监测方法的一致性和信噪比。在第一个小麦试验,标准浓度分别为2.00,6.00,18.0,54.0,162和486 pgμL⁻¹虽然第二小麦试验浓度分别为2.06,6.17,18.5,55.6,167和500 pgμL⁻¹。标准浓度分别为0.690,2.06,6.17,18.5,55.6,167和500 pgμL⁻¹杂草的试验。

生物实验设计和收获

生物实验的总体设计是一个双向的阶乘设计相同的小麦品种和杂草物种的代谢实验。植物发芽,生长,处理除草剂,暴露在环境条件中描述的前三个部分的方法。而不是在五个时间点的收割植物代谢实验,每个小麦品种的植物和杂草物种从温度方案在18和16 DAT,收获。每一个小麦品种或杂草物种有5个温度方案组合,复制组成的四个工厂。在收获、小麦和杂草射击组织摘除,烘箱干燥,干重,重。

统计分析

所有统计分析进行了包在RStudio v.1.2.5033 R v.3.6.2。对于每个代谢试验,一个线性校准曲线的峰值意味着加权标准差与标准浓度是适合使用包lm的统计功能:

在哪里y浓度和x峰面积,而米和b是常数。样品浓度峰值区域转化为使用线性校正曲线和统计分析之前被新鲜样品质量标准化。个人观察内部温度方案通过品种筛选异常值使用1.5四分位范围限制低于或高于第一或第三四分位数。正常和方差诊断被用来识别额外的异常值,并确保满足方差分析的假设。数据集是日志₁₀将必要的近似正态分布。

同质性的小麦和杂草在试验是评估使用列文的代谢数据测试(α= 0.05)来确定试验数据可以合并。对于每一个试验,三方方差分析(α= 0.05)被用来评估计算,温度方案,品种或种类,所有交互作为除草剂的重要预测因子内容之前识别特定意思的差异。最大的计算最小平方平均测量温度之间的内容方案每不同品种之间以及内容使用F-protected学生的温度方案对比t测试(α= 0.05)。此外,温度方案最小平方的意思是估计在每个计算使用F-protected学生的对比t测试(α= 0.05)。确定存在的代谢在每个温度养生法,计算最小平方估计比较使用学生的意思t测试与图基HSD多重比较调整(α= 0.05)。

使用从生物量干重数据实验中,双向方差分析(α= 0.05)被用来评估温度方案,品种或种类,及其交互作为生物质能的重要预测因子。当方差分析有意义F以及,生物量之间的价值观进一步对比温度每品种或种类使用F-protected学生的方案t测试(α= 0.05)。成对比较没有进行方差分析F以及不显著。

结果

统计数据的概述

列文的测试数据的同质性小麦品种和杂草物种之间的试验表明异质性,因此不能集中。是努力占之间的混杂因素试验,包括发芽,春化和环境条件(即。,daylength, light quantity, temperatures, watering, and fertilization), yet the heterogeneity of the data implies an unidentified source of variation. Systematic difference in absolute amounts of QZA detected is related to variations in UPLC and mass spectrometer operating conditions between years, but overall trends in QZA metabolism are consistent between replications in both years for wheat and weeds. For clarity, we present and discuss data from one of the trials hereafter due to the collection of supporting biomass data that was not recorded in one of the trials. The补充文件包括数据的重复试验QZA代谢实验在小麦品种(补充表1和补充图1)和冬季杂草(补充表2和补充图2)。

冬天QZA小麦和代谢对干重的影响

之间没有显著差异最大QZA内容温度方案对两品种单独或在同一温度最大值之间不同(表2)。最大的时机QZA内容也是一致的,最大的内容出现在2 DAT 19°C,但推迟到8 DAT 4.5°C的品种。

几个显著差异存在于QZA内容之间温度的计算方案的小麦品种(图1)。尽管LCS融合AX内容19°C大于4.5°C 1到4 DAT,内容大于4.5°C通过18 DAT (8图1一个)。斜坡AX,内容大于19°C和4.5°C下方案1和2 DAT,相同的4 DAT,小19岁由8 - 18°C DAT (图1 b)。

检查QZA内容差异随着时间的推移,每个品种的温度方案,显著差异出现在所有不同温度组合(图1)。在19°C治疗LCS融合AX, QZA从1到4 DAT内容不变,减少8 DAT,然后由18 DAT(进一步减少图1一个)。在4.5°C方案,内容1和4 DAT之间基本保持不变,然后积累直到8 DAT之后18 DAT高原和保持不变的内容。斜坡两温度方案(AX表现出类似的趋势图1 b)。温度方案之间的差异在两个品种揭示更大QZA内容19°C和4.5°C,虽然内容19°C减少4 DAT相比4.5°C。温度方案之间的干生物量没有显著不同品种(图2)。此外,干生物量没有显著不同品种之间温度方案。

新陈代谢的QZA杂草物种和对干重的影响

这些是温度之间没有显著差异最大QZA内容方案对于任何杂草物种(表3)。跨物种,贴合goatgrass最大内容19°C而柔和的布罗姆和野生黑麦有相似的内容。物种表现出类似的最大内容为4.5°C。最大QZA内容时间不同物种间。最大QZA内容19°C发生在1和2 DAT野生黑麦和贴合goatgrass,分别,而最大内容两个物种发生在9 DAT 4.5°C。在柔和的布罗姆,最大QZA内容出现在1 DAT温度。

几个显著差异存在于QZA温度方案计算每杂草物种之间的内容(图3)。柔和的布罗姆,唯一内容差异发生在9 DAT,内容大于在相对于19°C (4.5°C图3一)。野生黑麦大QZA内容在19°C 4.5°C 1 DAT,温度方案2 DAT之间的相同的内容,和一个更大的内容为4.5°C比19°C和16 DAT 9点(图3 b)。最后,贴合goatgrass大QZA内容在19°C 4.5°C 1和2 DAT,但是在之后的时间点下达到更大的QZA内容4.5°C方案(图3 c)。模式对野生黑麦和贴合goatgrass类似于冬小麦,QZA减少2到9 DAT尽管在19°C和更大的初始内容4.5°C。

随着时间的推移,出现显著QZA内容差异对于大多数杂草物种温度组合(图3)。在19°C的柔和的布罗姆,QZA内容山峰从1到2 DAT和减少9 DAT,之后内容高原16 DAT (图3一)。4.5°C之间的柔和的布罗姆峰后方案1和9 DAT和减少16 DAT。趋势的野生黑麦温度方案模拟的柔和的布罗姆(图3 b),尽管QZA内容进一步减少从9到16 DAT 19°C方案。贴合goatgrass趋势在19°C略不同于其他两个杂草物种,在内容减少9 - 16 DAT而不是停滞不前的状况(图3 c)。内容在时间点的4.5°C的贴合goatgrass并不显著不同。干重显著不同温度方案贴合goatgrass但没有其他杂草物种(图4)。具体来说,植物功能更大的生物量为4.5°C比19°C。

讨论

本研究评估的影响温度对QZA代谢条件下典型的东北科罗拉多高原地区旱地小麦产量。设计包括两个CoAXium™适应该地区冬小麦品种和三个麻烦每年冬季杂草物种(柔和的布罗姆、野生黑麦和贴合goatgrass)通常存在于北美旱地冬小麦生产(里昂和水藻,1995年;Tautges et al ., 2016;大树枝et al ., 2021)。选择温度条件反映平均30年(1991 - 2020)在柯林斯堡,科罗拉多州在4月和5月,平均每天特性高19°C和低点4.5°C (西部地区气候中心,2021年)。此外,侵略者™标签建议对除草剂的应用程序之前或之后一周内温度< 4.5°C。

冬天QZA小麦和代谢对干重的影响

QZA AXigen特质带来阻力。因此,QZA内容和代谢监测在CoAXium™小麦品种处理建议字段QPE (77.1 g ae公顷⁻¹)。总的来说,冷却器温度方案以降低QZA新陈代谢的速率相对温暖的温度(图1)。这与之前的研究一致表明抑制除草剂代谢在冷温度下草在其他作物,如bispyribac大米(马提尼et al ., 2015在玉米)和metolachlor (中收取et al ., 1991)。尽管推迟代谢QZA小麦生长在凉爽的温度温暖的温度,相比没有差别在小麦品种之间的干重(图2)。这意味着降低新陈代谢不压倒AXigen™的阻力的特征在凉爽的温度。类似的研究提到了影响小麦产量尽管可见损伤在14天之后各种除草剂的应用领域在低温下(罗宾逊et al ., 2015)。坊间的现场报告CoAXium™受伤之后侵略者™应用程序在低温下可能归因于无关紧要的视觉损伤。

代谢的趋势在小麦不同温度的影响,最大QZA观察内容没有变化(表2)。更大的最大内容的成对比较意味着更大的QPE吸收和/或bioactivation QPE到QZA本机carboxyesterases。因此,在这项研究中,小麦品种展示类似的吸收和bioactivation无论温度。

新陈代谢的QZA杂草物种和对干重的影响

QZA内容和新陈代谢在杂草物种被监控的应用尚不致命的QPE (15.0 g ae公顷⁻¹)为了挑战植物没有杀害他们。冷却器温度方案延迟QZA新陈代谢相对温暖的温度方案在所有物种(图3)。差异显示更大的初始QZA内容在暖和的温度与冷却器温度,但暗示所有杂草物种可以在温暖的温度和显著降低代谢QZA 4 DAT的内容。冷却器内温度方案,QZA积累直到9 DAT和计算的局限性使随后的新陈代谢不那么确定。降低温度会增加某些杂草物种对除草剂的敏感性,导致经济增长减少在低剂量,如mesotrione杂草[应用程序的苋属tuberculatus(Moq。)萨奥尔)和大狗牙根(三叶草sanguinalis(l)吟游诗人。在低温下(约翰逊和年轻,2002)。可能是由于抑制代谢的敏感性。

QZA代谢在凉爽和温暖的温度之间的杂草物种不同方案在大多数情况下,连接的唯一干重差异的温度发生goatgrass (图4)。柔和的布罗姆和野生黑麦、减少代谢在冷却器的温度不符合减少了增长,而冷却器温度方案意外导致生物量大于裂隙goatgrass温暖的温度。有时,亚致死的除草剂剂量可能引起毒物兴奋效应,或刺激对植物的影响根据物种不同,发展阶段,环境条件和除草剂(茨和杜克大学,2014)。最小的压力或除草剂剂量基本上引起过度补偿反应。大麦的野外研究(大麦芽l .)表明亚致死的草甘膦或metsulfuron剂量刺激生物量增长约25%,尽管其他亚致死剂量的除草剂,包括haloxyfop,不(Cedergreen 2008)。在我们的研究中,尚不致命的除草剂剂量结合冷却器温度方案贴合goatgrass可能煽动激效反应过度补偿的双重存在QZE和冷压力。一项研究在甘蔗(蔗糖officinaruml .)和桉树(桉树茅w·希尔)与亚致死的草甘膦的激效效应剂量增强光合作用通过增加有限公司₂同化、气孔导度和蒸腾作用(新生的et al ., 2018)。

与小麦、杂草物种达到类似最大QZA温度方案之间的内容(表3),说明QPE吸收和bioactivation QPE QZA是一样的在这两个温度方案用于这项研究。相对其他研究报告减少除草剂的吸收在冷却器温度在某些草坪杂草,包括nicosulfuron quackgrass [大被(l)古尔德)和赛克津在柔和的布罗姆以及贴合goatgrass (Buman et al ., 1992;布鲁斯et al ., 1996)。文学差异可能是由于实验设计考虑和利用更精确的方法来测量吸收而不是使用最大QZA内容作为吸收的代理。此外,缺乏时间差异最大QZA柔和的布罗姆的内容表明,冷却器温度方案影响吸收程度低于其他杂草物种。趋势和差异计算图3证实了这个推断,冷却器温度方案的内容是一样的从1到9 DAT柔和的布罗姆。

结论

的能力CoAXium™小麦品种代谢QZA减少在冷却器的温度方案但是不足以克服提供的保护这种除草剂AXigen™阻力特征,导致没有对生物量积累的影响。坊间的现场报告CoAXium™受伤之后侵略者™应用程序在低温下可能归因于无关紧要的视觉损伤或由于多个其他的压力因素,虽然后续现场研究是必要的阐明受伤的原因。所有杂草物种有能力在两个温度条件下代谢QZA除了贴合goatgrass冷却器温度方案,但随着小麦,冷却器温度方案一般延迟的新陈代谢。杂草物种生物量之间的唯一不同温度对贴合goatgrass,经历一个激效反应应对亚致死的除草剂剂量结合冷应激,导致更大的生物量积累在冷却器温度方案相比,温暖的温度。温度之间缺乏差异最大QZA内容方案在小麦和杂草建议类似QPE吸收和QZE bioactivation。进一步的实验测量QPE除了QZE UPLC-MS / MS或常规放射化学分析可以验证类似的吸收和bioactivation在不同的温度下。

气候变化,包括极端低温或高温,可能会影响当前杂草管理策略的有效性。升高温度和有限公司₂水平降低的功效很多杀虫剂通过改变异型生物质新陈代谢和易位在目标生物(Matzrafi 2019)。减少疗效对应增加抗除草剂杂草由于减少除草剂土壤中持久性和更大的除草剂代谢能力(Refatti et al ., 2019;Korres达扬,2020)。特别是,ACCase-inhibitor功效会降低在升高的温度下,包括diclofop, pinoxaden和fluazifop (Smeda和普特南,1990;Matzrafi et al ., 2016)。我们的研究提供了进一步的证据quizalofop代谢热的依赖可能转化为改变功效。热依赖除草剂代谢途径时应考虑应用ACCase-inhibitors避免对非靶标植物伤害和功效最大化目标杂草。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以直接到通讯作者/ s。

作者的贡献

RB和FD的构思和设计方法和实验也起草了手稿。RB进行执行的实验和数据分析。TG和FD对实验提供了建议。TG编辑了手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项研究是由科罗拉多小麦研究基金会(CWRF)、授予数量5303094和美国农业部国家粮食和农业研究所,孵化项目1016591,COL00785, COL00783。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

确认

作者感谢CWRF鼓舞人心的总体研究目标。样本收集和处理通过凯瑟琳•米勒的援助和斯蒂芬•Corcillo琥珀Pelon。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fagro.2021.800731/full补充材料

引用