Aspectos genéticos envolvidos na resistência de plantas daninhas aos herbicidas
Larissa Macedo Winkler 1; Ribas Antônio Vidal 2; José Fernandes Barbosa Neto 31 Eng.ª Agr.ª Dr.ª, Bolsista recém-doutor do CNPq. E-mail: lari1973@ig.com.br2 Eng. Agr. Ph.D.; Professor do Departamento de Plantas de Lavoura da FA/UFRGS. Caixa Postal 776, CEP 91501-970, Porto Alegre, RS. E-mail: ribas.vidal@ufrgs.br3 Eng. Agr. Ph.D.; Professor do Departamento de Plantas de Lavoura da FA/UFRGS. E-mail:jfbn@ufrgs.br1. Introdução
Um tema que vem sendo abordado com freqüência entre pesquisadores e produtores do Brasil e do mundo é o aumento do número de espécies de plantas daninhas que apresentam resistência a algum tipo de herbicida. Apenas no Brasil, estima-se que aproximadamente 1 milhão de hectares apresentem esta característica (Vidal & Merotto Jr., 2001). Atualmente, no mundo, estão registrados 255 biótipos resistentes, sendo 156 espécies entre 94 dicotiledôneas e 62 monocotiledôneas. Os grupos de maior ocorrência são os inibidores da enzima acetolactatosintase (ALS) e inibidores do fotossistema II, representados por 72 e 84 biótipos respectivamente, conforme mostra a Tabela 1.
Tabela 1. Quantidade mundial de plantas daninhas com resistência a herbicidas
Mecanismo de ação do herbicida
Número de biótipos resistentes
% de biótipos resistentes
Inibidores de ACCase
28
11
Inibidores de ALS
72
28
Inibidores de EPSPs
4
2
Auxinas sintéticas
21
8
Inibidores de Fotossistema I
21
8
Inibidores de PROTOX
1
---
Inibidores de Fotossistema II
84
33
Inibidores de caroteno
5
2
Inibidores de parte aérea
8
3
Inibidores de tubulina
11
4
Total
255
100
Fonte: adaptado de www.weedscience.com, maio de 2002.
2. Mas afinal, o que é resistência e como ela se manifesta?
Existem vários conceitos para a resistência, muitos deles erroneamente confundem resistência e tolerância. Resistência é a capacidade hereditária natural de alguns biótipos dentro de uma população em sobreviver e reproduzir-se após a exposição a um determinado herbicida, que em condições normais de emprego controla efetivamente essa população (FAO, 1965; Valverde et al., 2000). Já o termo tolerância diz respeito à capacidade hereditária natural que todas as populações apresentam em sobreviver e reproduzir-se após o tratamento com herbicidas (FAO, 1965; Matiello et al., 1999).Dentro destes conceitos existem dois tipos de resistência, a resistência cruzada, que ocorre quando um biótipo apresenta resistência a dois ou mais herbicidas, resultante de apenas um mecanismo de ação, e a resistência múltipla, que ocorre quando um mesmo biótipo possui dois ou mais mecanismos de resistência distintos, considerada complexa e de difícil seleção (Vargas et al., 1999).Hoje sabe-se que os genes de resistência existem naturalmente na população de plantas daninhas e que são selecionados mediante a pressão de seleção exercida pelo uso contínuo de determinados herbicidas, muitos deles com o mesmo modo de ação, em decorrência dos sistemas agrícolas empregados, como o monocultivo, acarretando elevadas perdas econômicas . Também existem relatos de plantas resistentes em áreas destinadas à construção civil, onde doses elevadas de herbicidas são aplicadas (Moss & Rubin, 1993).Alguns fatores favorecem a manifestação da resistência, entre eles a variabilidade genética da população; a aptidão ecológica; o sistema reprodutivo da espécie; a pressão de seleção exercida pelo agente seletivo (herbicida); a freqüência inicial dos genes de resistência na população; o número de alelos envolvidos; o tipo de ação gênica; o tipo de herança e o fluxo gênico entre biótipos resistentes e suscetíveis (Moss & Rubin, 1993; Powles & Holtum, 1994; Vidal & Fleck, 1997; Vargas et al., 2001).
3. Variabilidade genética da população
A variabilidade genética existente em uma população é o resultado do processo de evolução natural da espécie que a compõe, em função da variação mendeliana, hibridação interespecífica e poliploidia.Existem cinco estádios que explicam a evolução da resistência: 1) a eliminação de todos os biótipos altamente suscetíveis, favorecendo os mais tolerantes e resistentes; 2) eliminação de todos os biótipos exceto os resistentes; 3) seleção destes biótipos dentro de uma população com elevada tolerância; 4) intercruzamento dos biótipos sobreviventes, gerando indivíduos mais resistentes que serão selecionados; 5) segregação e recombinação dos genes (Mortimer, 1998 citado por Vargas et al., 2001).Variação mendeliana- o aparecimento da diversidade genética mendeliana ocorre com o surgimento de mutações gênicas. Mutação é a variação herdável de um gene ou de uma estrutura de um cromossomo. Ela pode ocorrer naturalmente ou ser induzida. A freqüência com que elas ocorrem naturalmente é de 10-6 por geração (Borém, 1997). As mutações podem ser citoplasmáticas (que ocorrem com menor freqüência pois apenas a planta-mãe contribui), cromossômicas numéricas (responsáveis pela poliploidia), cromossômicas estruturais e gênicas (as de maior importância pois modificam um alelo dominante tornando-o recessivo e vice-versa) (Matiello et al., 1999). Muitas destas mutações provocam alterações nos locais de ação dos herbicidas. Um exemplo disto são os mecanismos responsáveis pela resistência de plantas daninhas ao grupo das triazinas, inibidores da enzima ALS e dinitroanilinas (Moss & Rubin, 1993). Recombinações mendelianas resultantes do cruzamento entre indivíduos mutantes ocasionam variabilidade adicional na população. O processo de seleção natural e seus efeitos na adaptação dos indivíduos determinam a distribuição e a fixação destas fontes de variação dentro de uma população, fazendo com que os indivíduos mais adaptados ao meio sobrevivam e se reproduzam, aumentando a freqüência dos genes mutantes (Federizzi, 1998). A freqüência com que ocorre estas mutações e o tamanho da população são responsáveis pela maior ou menor probabilidade de um indivíduo adquirir resistência. A resistência não é induzida pelos herbicidas, mas ocorre naturalmente. A aplicação de herbicidas apenas seleciona indivíduos resistentes em populações com elevada variabilidade genética (Holt et al.,1993 citados por Vidal & Fleck, 1997)Hibridação interespecífica- consiste no cruzamento de espécies taxonômicas diferentes, com a preservação das características melhoradas na população segregante. No entanto, muitos destes cruzamentos não são equilibrados e acabam sendo descartados pela seleção natural (Allard, 1971).Poliploidia- fonte de variabilidade genética decorrente da multiplicação do número de conjuntos básicos de cromossomos (Allard, 1971). O cruzamento de duas espécies diferentes seguido da duplicação do número básico de cromossomos do indivíduo gerado, leva à formação de uma nova espécie que difere geneticamente das que lhe deram origem (Federizzi, 1998).
4. Aptidão ecológica
Definida como o sucesso reprodutivo de um indivíduo, ou seja, a proporção de genes que ele é capaz de implantar em uma população. A sobrevivência e a taxa de reprodução de um indivíduo são fundamentais para o sucesso adaptativo de uma espécie. No entanto, estes indivíduos com características fenotípicas particulares que se sobressaem na população, são o resultado de uma interação entre o genótipo e o ambiente. Em plantas que se reproduzem por sementes, esta aptidão pode ser originária do número de sementes produzidas por um genótipo em particular. Já no caso de plantas que se reproduzem vegetativamente, a aptidão pode ser evidenciada pelo cálculo da biomassa ou por medidas tomadas em diferentes órgãos da planta. Se ocorrerem alterações no ambiente ou nos genótipos selvagens de uma espécie, o novo genótipo se tornará mais freqüente na população em poucas gerações (Powles & Holtum, 1994).5. Sistema reprodutivo das espécies
Reprodução assexual- os indivíduos se multiplicam por meios não sexuados, através da propagação vegetativa de seus órgãos, devido à baixa produção de sementes e manifestações de características indesejáveis quando multiplicados por sementes. Tem menor importância para a resistência de plantas a herbicidas uma vez que sua multiplicação depende na maioria das vezes da ação do homem (Matiello et al., 1999).Reprodução sexual - baseada no processo meiótico de divisão celular, onde o número de cromossomos das células reprodutivas é reduzido à metade para formar os gametas. Entre as epécies que se multiplicam sexuadamente estão as autógamas e alógamas (Borém, 1997). As espécies autógamas ou de autofecundação apresentam grau elevado de endogamia, que ocasiona redução ou ausência de variabilidade genética. Conseqüentemente estas plantas tem menores chances de apresentar indivíduos resistentes a algum tipo de herbicida. Apesar disto, uma pequena taxa de alogamia pode ocorrer por ação dos insetos polinizadores. Plantas alógamas ou de fecundação cruzada superam em número as espécies autógamas. Esta evidência tem origem na evolução e domesticação das espécies. São caracterizadas por grande heterogeneidade, onde cada indivíduo na população é altamente heterozigoto e difere dos demais (Borém, 1997). A troca de informações genéticas entre indivíduos de uma população alógama pode ocorrer entre plantas de uma mesma espécie, entre plantas de espécies diferentes e entre plantas de gêneros diferentes, o que promove o aumento na variabilidade genética da população. Esta variabilidade permite que maior número de genes de resistência aos herbicidas estejam presentes na população.
6. Pressão de seleção
Pode ser definida como a relação de indivíduos resistentes e suscetíveis que existem na população antes e após o tratamento com herbicidas (Moss & Rubin, 1993). A interação entre a diversidade genética da característica e a pressão de seleção influencia no início do desenvolvimento da resistência (Powles & Holtum, 1994). Quanto maior for a pressão de seleção em uma população sensível, maior será o favorecimento dos biótipos resistentes. A utilização de herbicidas altamente eficientes, que provocam a eliminação rápida dos biótipos sensíveis e com efeito residual prolongado, agindo por maior tempo sobre a população, são considerados indutores de alta pressão de seleção (Vargas et al., 1999). Estes herbicidas com longo efeito residual agem sobre o banco de sementes por diversas gerações, selecionando a cada geração um número grande de indivíduos resistentes. Fatores como a intensidade do uso de um determinado herbicida, sua eficiência e persistência, eficácia dos mecanismos de resistência e especificidade do herbicida (modo de ação) influenciam na pressão de seleção (Moss & Rubin, 1993).
7. Freqüência inicial dos genes de resistência na população
Sem dúvida esta é uma das características de maior risco na ocorrência de plantas resistentes aos herbicidas (Vidal & Fleck, 1997). E também uma das mais difíceis de serem determinadas, visto a influência exercida por diversos fatores como espécie, local, tipo de resistência, pressão de seleção e dinâmica da população (Moss & Rubin, 1993). A freqüência gênica é definida como a proporção em que aparecem em uma população, os alelos alternativos de um gene (Vargas et al., 1999). Na literatura especializada existem relatos da freqüência inicial do alelo de resistência para herbicidas inibidores de ALS, inibidores do fotossistema II entre outros. A freqüência inicial do genoma herdado com resistência aos inibidores do fotossistema II é de 10-10 e 10-20 plantas /hectare (Gressel, 1991 citado por Moss & Rubin, 1993). Já a freqüência mais elevada é observada nas plantas com resistência a ALS, igual a 10-6 plantas/hectare. Esta freqüência é semelhante às das mutações expontâneas, visto anteriormente. Existem casos em que a resistência é múltipla, por exemplo, herbicidas inibidores da EPSPs (enolpiruvil chiquimato fosfato sintase) e inibidores do crescimento da parte aérea, dificultando ainda mais a determinação das freqüências alélicas (Vidal, 1997). Se o número de genes envolvidos na resistência for elevado, será menor a probabilidade de surgirem biótipos resistentes, e quanto maior for a freqüência do alelo de resistência, maior será a probabilidade de seleção de um biótipo resistente (Vargas et al., 2001). Para calcularmos esta freqüência, assumimos “S” como alelo suscetível e “R” resistente, cada um com suas freqüências st e rt, onde “t” é o número de gerações. Assim, t(st + rt =1). O genótipo RR é homozigoto resistente, RS heterozigoto e SS homozigoto suscetível. A resistência a herbicidas em muitos casos está associada ao alelo dominante. A aptidão dos três genótipos é dada por wRR, wRS e wSS onde wRR ³wRS³wSS, temos então a freqüência após sucessivas gerações (Powles & Holtum, 1994):
8. Número de genes envolvidos
O conhecimento do número de genes envolvidos na resistência é importante, pois a partir dele podemos presumir a probabilidade da manifestação da resistência em uma população. A seleção destes genes está condicionada a herdabilidade da resistência (Powles & Holtum, 1994).Herdabilidade no sentido amplo é a proporção da variabilidade total que é herdada por um indivíduo. Em sentido restrito, é a proporção da variabilidade observada em razão dos efeitos aditivos dos genes, que será transmitida para a próxima geração. A herança destes genes é dita quantitativa quando um grande número de genes controlam determinada característica, sendo que cada um dos genes contribui com um pequeno efeito, seja ele positivo ou negativo para a expressão desta característica (Borém, 1997).Alguns estudos já mostraram que quando a herança é poligênica, a probabilidade da resistência se manifestar é menor. Por outro lado, quando um único gene é responsável pela resistência (dita monogênica, qualitativa) esta probabilidade aumenta (Vargas et al., 1999). Para a maior parte das espécies resistentes aos herbicidas descobriu-se a ação de apenas um gene. Isto pode ser explicado pela alta especificidade dos herbicidas que atuam sobre enzimas específicas nas rotas metabólicas. Os herbicidas, por apresentarem alta eficiência, exercem elevada pressão de seleção sobre os indivíduos. Quando os herbicidas são aplicados em subdoses podem agravar o problema da resistência, ao invés de diminuí-lo, pois esta prática favorece a seleção de vários genes que irão aumentar sua freqüência inicial através de recombinações entre os indivíduos, geração após geração de cultivo (Valverde et al., 2000).
9. Tipo de ação gênica
A resistência aos herbicidas, para a maioria dos mecanismos de ação, é determinada por genes dominantes ou semi-dominantes, localizados no DNA no núcleo da célula (Matiello et al., 1999). Estes genes possuem uma vantagem em relação aos demais, recessivos, pois deixam como descendentes indivíduos resistentes, independentemente do sistema reprodutivo que apresentam (Vidal & Fleck, 1997). Isto pode ser explicado pelo próprio conceito de dominância, uma interação intra-alélica onde um alelo se expressa quando em heterozigose, excluindo a manifestação do seu alelo alternativo (Allard, 1971).Exemplo: Um indivíduo com alelo de resistência R (dominante) e alelo recessivo r (suscetível), logo, Rr heterozigoto, através da auto-fecundação dará origem a uma geração F1 onde 25% dos descendentes serão recessivos e suscetíveis (rr) e 75% resistentes dominantes (50% dominantes Rr e 25% dominantes RR).
10. Herança nuclear e herança citoplasmática
O tipo de herança é um fator muito importante quando pensamos na propagação da resistência entre populações. A herança citoplasmática ou maternal é aquela em que os caracteres são herdados através do citoplasma. O gene de resistência, neste caso, está localizado em organelas como mitocôndrias, complexo de Golgi e cloroplastos, e sua capacidade de dispersão será pequena, pois dependerá do número de sementes que a planta-mãe resistente produzir naquela geração. O mesmo não ocorre quando a herança é nuclear, pois o gene de resistência está no DNA do núcleo da célula (grão de pólen) e a disseminação ocorrerá através da recombinação sexual entre os indivíduos resistentes e suscetíveis. A quantidade de pólen produzida pela planta resistente irá determinar a maior ou menor disseminação do gene de resistência (Matiello et al., 1999; Vargas et al., 2001). Resultados de pesquisas realizadas com Euphorbia heterophylla sugerem que a resistência é codificada por um gene dominante nuclear. Este é um dos casos de maior risco para a disseminação da resistência, pois a resistência pode ser disseminada pelas sementes e também pelo pólen.
11. Fluxo gênico
O fluxo gênico entre populações é, sem dúvida, o modo mais importante na evolução da resistência (Powles & Holtum, 1994). Ele favorece o aumento da freqüência de alelos resistentes em uma população. Este aumento pode ser ocasionado pela fecundação cruzada, onde grãos de pólen contendo o gene de resistência são dispersos entre outras plantas suscetíveis, pela disseminação de propágulos vegetativos resistentes no caso de plantas que se propagam assexuadamente e pela dispersão de sementes, seja pelo vento, animais ou pela ação do homem. Alguns fatores interferem na dispersão, entre eles, o número de grãos de pólen produzidos, a viabilidade deste pólen, a espécie, o mecanismo de polinização e condições climáticas durante a floração (Vargas et al., 1999).
12. Considerações finais
A partir da abordagem feita nesta revisão de literatura, podemos refletir sobre o fato de que as plantas daninhas possuem caracteres genéticos e biológicos inerentes à cada espécie e que são responsáveis pela manifestação da resistência aos herbicidas.Biótipos resistentes são inicialmente selecionados em resposta à aplicação de herbicidas com um único mecanismo de ação, promovendo, com isso, o aumento da freqüência de alelos de resistência na população. Fatores como a densidade populacional a ser controlada, a freqüência inicial do(s) gene(s) de resistência, tamanho da área a ser tratada e intensidade de aplicação de herbicidas altamente específicos, favorecem o surgimento deste fenômeno, que só é percebido quando cerca de 20% a 30% das plantas apresentam os sintomas, e muitas vezes, tendo decorrido vários anos desde a introdução do herbicida no campo.É importante observar, no entanto, se a falta de controle reflete realmente um novo caso de resistência, ou se outros fatores estão interagindo, como por exemplo, a calibração incorreta dos equipamentos de aplicação do herbicida, época e dosagem inadequadas e se uma ou mais espécies apresentam os mesmos sintomas, para que, a partir deste resultados, extensionistas e agricultores possam somar esforços e adotar metodologias apropriadas para o manejo da resistência das plantas daninhas, evitando assim, o aumento do risco deste fenômeno, que tem ocasionado sérios prejuízos à nossa agricultura.13. Referências bibliográficas
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Dados para citação em referências bibliográficas:Revista Plantio Direto, edição nº 70.Aldeia Norte Editora, Julho/Agosto de 2002, 40 páginas.