Allelopathic Effects of Chrysanthemoides monilifera subsp. monilifera on Lolium rigidum in Wheat Field: Implications on the Reduction of Chemical Loads in Agro-Ecosystems

Weed control through allelopathic plants is a promising approach that may minimize many of negative consequences of synthetic herbicides. We have studied potential of Chrysanthemoides monilifera subsp. monilifera (boneseed) leaf extract for controlling growth of Lolium rigidum (annual ryegrass) in wheat (Triticum aestivum) fields. Both pre-and post-emergent ryegrass-control experiments were conducted in greenhouse using field soil. Treatments such as boneseed leaf extracts (5 and 10% for pre-emergent and 10 and 20% for post-emergent experiments) alone or as a mixture combined with different strength (¼ and ½ strength) of pre-emergent (boxer gold) and post-emergent (hussar OD) herbicides were applied on pre- and post-emergent ryegrass and wheat. The findings revealed that none of the boneseed leaf extracts alone or as mixture had significant inhibitory impact on pre-emergent ryegrass compared with herbicide alone. Although we observed significant inhibitory impacts on post-emergent ryegrass with boneseed leaf extracts alone (10 and 20%) compared with control, they were negligible compared to full strength herbicides. Mixtures had significant inhibitory impact on post-emergent ryegrass compared with herbicide alone with same doses and impact increased with herbicide concentration. Despite the greater impacts by higher herbicides concentration alone, findings suggest the use of mixture of ¼-strength herbicide and 10% boneseed leaf extract was able to control ryegrass successfully than the herbicide alone without adverse impacts on wheat. This study suggests that use of boneseed leaf extract mixed with lower doses of post-emergent herbicides may be effective in controlling ryegrass with concomitant reductions in expenses and ecological health risks linked with the practice of synthetic herbicides.

Rapid On-Farm Testing of Resistance in Lolium rigidum to Key Pre- and Post-Emergence Herbicides

Overreliance on herbicides for weed control is conducive to the evolution of herbicide resistance. Lolium rigidum (annual ryegrass) is a species that is prone to evolve resistance to a wide range of herbicide modes of action. Rapid detection of herbicide-resistant weed populations in the field can aid farmers to optimize the use of effective herbicides for their control. The feasibility and utility of a rapid 7-d agar-based assay to reliably detect L. rigidum resistant to key pre- and post-emergence herbicides including clethodim, glyphosate, pyroxasulfone and trifluralin were investigated in three phases: correlation with traditional pot-based dose-response assays, effect of seed dormancy, and stability of herbicides in agar. Easy-to-interpret results were obtained using non-dormant seeds from susceptible and resistant populations, and resistance was detected similarly as pot-based assays. However, the test is not suitable for trifluralin because of instability in agar as measured over a 10-d period, as well as freshly-harvested seeds due to primary dormancy. This study demonstrates the utility of a portable and rapid assay that allows for on-farm testing of clethodim, glyphosate, and pyroxasulfone resistance in L. rigidum, thereby aiding the identification and implementation of effective herbicide control options.

The Impact of Ensiling at Different Moisture Contents on Germinability and Viability of Selected Weed Species’ Seeds

Weeds are an increasingly significant issue inhibiting agricultural production worldwide. Forage conservation could form part of an integrated weed management program if ensiling killed weed seeds. In Experiment 1, seeds of five grass (Hordeum spp., Bromus diandrus, Bromus hordeaceum, Lolium rigidum and Vulpia spp.) and two broad-leaved temperate weed species (Echium spp. and Raphanus raphanistrum), that were either untreated, ensiled in pasture (Trifolium subterranean/Lolium rigidum mixture) forage for a minimum of three months, underwent 48 h in sacco digestion in steers or ensiled prior to digestion were tested for germinability and viability. In Experiment 2, seeds of eight tropical weed species (Cenchrus ciliaris, Rumex spp., Bidens pilosa, Sorghum halepense, Urochloa panicaoides, Paspalum dilatatum, Brachiara eruciformis and Choris truncata) were ensiled in Sorghum bicolor forage. In Experiment 3, L. rigidum and R. raphanistrum seeds were ensiled in either Medicago sativa forage wilted to 336.9, 506.5 or 610.7 g/kg dry matter; or in chaff to which water or water plus acid was added at rates to achieve 350, 450 or 550 g/kg dry matter content with lactic plus acetic acid added in the ratio of 3:2 at 80, 45 or 10 g/kg DM, respectively. In Experiment 4, L. rigidum and R. raphanistrum seeds were ensiled in cotton wool to which water or water plus acid was added at the same rates as in Experiment 3. Germinability of all seeds following ensiling was substantially reduced or nil. The extent of the reduction varied with species and experiment. In sacco digestion reduced germinability in Experiment 1, but to a lesser extent than ensiling; while ensiling plus digestion reduced germination rates to 0%.

The Remarkable Journey of a Weed: Biology and Management of Annual Ryegrass (Lolium rigidum) in Conservation Cropping Systems of Australia

Annual ryegrass (Lolium rigidum Gaud.), traditionally utilised as a pasture species, has become the most problematic and difficult-to-control weed across grain production regions in Australia. Annual ryegrass has been favoured by the adoption of conservation tillage systems due to its genetic diversity, prolific seed production, widespread dispersal, flexible germination requirements and competitive growth habit. The widespread evolution of herbicide resistance in annual ryegrass has made its management within these systems extremely difficult. The negative impacts of this weed on grain production systems result in annual revenue losses exceeding $93 million (AUD) for Australian grain growers. No single method of management provides effective and enduring control hence the need of integrated weed management programs is widely accepted and practiced in Australian cropping. Although annual ryegrass is an extensively researched weed, a comprehensive review of the biology and management of this weed in conservation cropping systems has not been conducted. This review presents an up-to-date account of knowledge on the biology, ecology and management of annual ryegrass in an Australian context. This comprehensive account provides pragmatic information for further research and suitable management of annual ryegrass.

Inheritance of evolved thiocarbamate resistance in Rigid Ryegrass (Lolium rigidum) populations from Australia

Populations of rigid ryegrass (Lolium rigidum Gaudin) from southern Australia have evolved resistance to the thiocarbamate herbicide prosulfocarb. The inheritance of prosulfocarb resistance was explored by crossing R and S individuals. In all families within each cross, except 16.2, the response of the F1 were intermediate between the parents, suggesting that resistance is inherited as a single, partially dominant trait. For 16.2, the response of the F1 was more similar to the susceptible parent, suggesting resistance may be a recessive trait in this population. Segregation at the discriminating dose of 1200 g a.i. ha−1 prosulfocarb in populations 375-14 fitted the ratio (15:1) consistent with two independent dominant alleles; 198-15 fitted a ratio (13:3) for two independent alleles, one dominant and one recessive; and EP162 fitted a ratio (9:7) for two additive dominant alleles. In contrast segregation of population 16.2 fitted a (7:9) ratio consistent with two independent recessive alleles contributing to prosulfocarb resistance. Four different patterns of resistance to prosulfocarb were identified in different resistant populations, with inheritance as a dominant allele, dominant and recessive, additive dominant and as an independent recessive allele. This suggests there are several different mechanisms of prosulfocarb resistance present in L. rigidum.

Pro197Thr Substitution in Ahas Gene Causing Resistance to Pyroxsulam Herbicide in Rigid Ryegrass (Lolium Rigidum Gaud.)

Lolium rigidum Gaud. is a cross-pollinated species characterized by high genetic diversity and it was detected as one of the most herbicide resistance-prone weeds, globally. Acetohydroxyacid synthase (AHAS) resistant populations cause significant problems in cereal production; therefore, monitoring the development of AHAS resistance is widely recommended. Using next-generation sequencing (NGS), a de novo transcriptome sequencing dataset was presented to identify the complete open reading frame (ORF) of AHAS enzyme in L. rigidum and design markers to amplify fragments consisting of all of the eight resistance-conferring amino acid mutation sites. Pro197Thr, Pro197Ala, Pro197Ser, Pro197Gln, and Trp574Leu amino acid substitutions have been observed in samples. Although the Pro197Thr amino acid substitution was already described in SU and IMI resistant populations, this is the first report to reveal that the Pro197Thr in AHAS enzyme confers a high level of resistance (ED50 3.569) to pyroxsulam herbicide (Triazolopyrimidine).

Μελέτη και χαρακτηρισμός ενζύμων για την αντιμετώπιση της ανθεκτικότητας έναντι βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων

Το φαινόμενο της γενικευμένης πολλαπλής ανθεκτικότητας, που πλέον παρατηρείται κατά την εφαρμογή παρασιτοκτόνων (π.χ. ζιζανιοκτόνων, εντομοκτόνων κ.τ.λ.), αλλά και κατά τη χορήγηση θεραπευτικών σκευασμάτων στον τομέα της υγείας, όπως είναι τα αντιβιοτικά, αντι-ρετροϊικά κ.ά. έχει καταστεί παγκόσμια απειλή και αποτελεί μείζον ζήτημα για την αειφορία του αγροτικού τομέα και της δημόσιας υγείας, αντίστοιχα. Η επιτυχής αλλά και εντατική εφαρμογή των αντιμικροβιακών ενώσεων, καθώς και των παρασιτοκτόνων, οδήγησε σε επαναλαμβανόμενα φαινόμενα ανθεκτικότητας, τα οποία οφείλονται κυρίως στο αποτέλεσμα της ανθρωπογενούς εξελικτικής πίεσης, που εφαρμόζεται λόγω μείωσης των πληθυσμών των ανεπιθύμητων μικροοργανισμών ή ζιζανίων. Στα πλαίσια της πολλαπλής ανθεκτικότητας, επιλέχθηκαν περιπτώσεις εμφάνισης του φαινομένου αυτού, οι οποίες διακρίνονται σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος περιλαμβάνει το φαινόμενο της πολλαπλής ανθεκτικότητας που εμφανίζεται σε βιοτικούς παράγοντες. Ένας σχετικός βιοτικός παράγων είναι τα πολυανθεκτικά βακτήρια, τα οποία προκαλούν επικίνδυνες λοιμώξεις σε όλο τον κόσμο, λόγω φαινομένων ανθεκτικότητας έναντι των αντιβιοτικών. Η άμεση απειλή για την ανθρώπινη υγεία καθοδηγεί την έρευνα στην ανάπτυξη νέων και καινοτόμων αντιβακτηριακών ενώσεων. Ο δεύτερος άξονας περιλαμβάνει την πολλαπλή ανθεκτικότητα, που οφείλεται σε αβιοτικούς παράγοντες, όπως τα ζιζανιοκτόνα, που σκοπό έχουν τον έλεγχο των πολυανθεκτικών ζιζανίων στις αγροτικές καλλιέργειες. Έχοντας σαν απώτερο σκοπό την εύρεση καινοτόμων τρόπων αντιμετώπισης της ανθεκτικότητας, επιχειρήθηκε, αρχικά, η έρευνα στο πεδίο των πολυανθεκτικών βακτηρίων, με ιδιαίτερη έμφαση στα βακτήρια Acinetobacter baumannii και Staphylococcus aureus. Το ζητούμενο ήταν η εξεύρεση ενός τρόπου αντιμετώπισης μέσω υδρολυτικών ενζύμων (ενδολυσίνες), που προέρχονται από βακτηριοφάγους, τα οποία έχουν την ικανότητα να υδρολύουν την πεπτιδογλυκάνη του κυτταρικού τοιχώματος των θετικών και αρνητικών κατά Gram βακτηρίων. Αν και η προσέγγιση είναι γνωστή από πιο παλιά, η διαφοροποίηση έρχεται ως προς την εξεύρεση ενζύμων με ιδιαίτερα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά επιλέγοντας ως πηγή αναζήτησης μεταγονιδωματικές βιβλιοθήκες προερχόμενες από ακραία περιβάλλοντα βιοποικιλότητας. Για το σκοπό αυτό, επιλέχθηκε το περιβάλλον των θερμών πηγών από το νησί της Λέσβου. Με δειγματοληψίες χώματος σε τέσσερις διαφορετικές τοποθεσίες του νησιού, έγινε απομόνωση του ολικού γονιδιωματικού DNA και, στη συνέχεια, ακολούθησε αλληλούχηση της υπερμεταβλητής περιοχής V3-V4 του 16S rRNA με σκοπό τη μελέτη των βακτηριακών κοινοτήτων που αναπτύσσονται στα εν λόγω περιβάλλοντα. Η γενική επισκόπηση της βακτηριακής κοινότητας που υπάρχει, οδήγησε στην κατά προσέγγιση ταυτοποίηση ορισμένων θερμόφιλων και υπερθερμόφιλων βακτηριακών ειδών, όπου για την αναζήτηση γονιδίων υδρολασών της πεπτιδογλυκάνης σχεδιάστηκαν εκκινητές για την εξεύρεση ομόλογων ακραιόφιλων ενζύμων. Η αναζήτηση οδήγησε στην ανακάλυψη μιας Ν-ακετυλομουραμοϋλ-L-αλανινο-αμιδάσης της πεπτιδογλυκάνης τύπου 2 (NALAA 2), η οποία παρουσιάζει οξεόφιλο χαρακτήρα, καθώς λειτουργεί σε περιβάλλον όξινου pH, και αυξημένη θερμική σταθερότητα, ενώ ταυτόχρονα, φαίνεται να εμφανίζει εξειδίκευση ως προς τα βακτήρια του γένους Staphylococcus. Παράλληλα, έγινε συγκριτική μελέτη δύο υδρολασών της πεπτιδογλυκάνης, της LysK από τον βακτηριοφάγο Κ, που προσβάλλει τον S. aureus, και της LysAB2 από τον βακτηριοφάγο ΑΒ2 που προσβάλλει το A. baumannii. Τα δύο προαναφερθέντα ένζυμα εμφανίζουν συγκριτικά χαμηλότερη θερμική σταθερότητα σε σχέση με την αμιδάση της θερμής πηγής, ωστόσο, ως προς την εξειδίκευση, η LysK παρουσιάζει το μεγαλύτερο εύρος δράσης. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης, πραγματοποιήθηκε μελέτη ενζύμων, που εμπλέκονται στην εμφάνιση της πολλαπλής ανθεκτικότητας που αναπτύσσεται σε ζιζάνια εξαιτίας της εφαρμογής των ζιζανιοκτόνων. Δύο ζιζάνια τα οποία εμφανίζουν ιδιαίτερα αυξημένα επίπεδα πολυανθεκτικότητας είναι το Alopecurus myosuroides και το Lolium rigidum. Τα υψηλά επίπεδα ανθεκτικότητας έχουν συνδεθεί με αυξημένα επίπεδα έκφρασης του ενζύμου τρανσφεράση της γλουταθειόνης που ανήκει στην τάξη Phi (GSTF). Επιλέγοντας τις συγκεκριμένες GSTFs (AmGSTF και LrGSTF), καθώς και δύο ομόλογες αλληλουχίες από τα καλλιεργούμενα φυτά Triticum aestivum (TaGSTF) και Hordeum vulgare (HvGSTF) έγινε συγκριτική μελέτη των τεσσάρων ενζύμων και αξιολόγηση της ικανότητας ενός συνόλου ενώσεων, να προκαλεί αναστολή στα εν λόγω ένζυμα. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν η συνδυαστική χρήση με ήδη υπάρχοντα εμπορικά σκευάσματα ζιζανιοκτόνων για τον μετριασμό των φαινομένων ανθεκτικότητας. Επιπρόσθετα, επιλύθηκε η κρυσταλλική δομή δύο εξ αυτών (AmGSTF και LrGSTF), γεγονός που παρέχει περισσότερη γνώση ως προς τον μηχανισμό δράσης των ενζύμων αυτών, που συμβάλλουν στην πολυανθεκτικότητα, αλλά και ως προς την ευκολία σχεδιασμού ειδικού φαρμακοφόρου για την πρόκληση αναστολής της ενζυμικής δράσης.

Seed Germination Ecology of South Eastern Australian Rigid Ryegrass (Lolium rigidum) Populations

Herbicide resistance is an increasing issue in many weed species, including rigid ryegrass (Lolium rigidum Gaudin); a major weed of winter cropping systems in southern Australia. Recently, this weed has also been found in summer crops in the south eastern region of Australia. Effective control of this herbicide resistant weed across south eastern Australia requires alternative management strategies. These strategies can be informed from analyses on the interaction of germinable seeds with their regional environment and by identifying the differences between populations of varying herbicide resistance levels. In this study, we explore how various environmental factors differentially affect the seed germination and seedling emergence of three L. rigidum populations, including one glyphosate-resistant population (GR), one glyphosate-susceptible population (GS) and one population of unknown resistance status (CC04). Germination was greater than 90% for all populations at each temperature regime except 15/5 C. Populations germinated at a lower rate under 15/5 C, ranging from 74 to 87%. Salt stress had a similar effect on the germination of all populations, with 0% germination occurring at 250 mM salt stress. Population GS had greater tolerance to osmotic stress with 65% germination at −0.4 MPa compared to 47% and 43% germination for CC04 and GR, respectively; however, germination was inhibited at −0.8 and −1.6 MPa for all populations. All populations had lower germination when placed in complete darkness as opposed to alternating light/dark. Germination in darkness was lower for CC04 (69%) than GR (83%) and GS (83%). Seedling emergence declined with increasing burial depth but retained 37% emergence at 8 cm when averaged over the populations. These results indicate that L. rigidum Gaud. can survive under a range of environmental variables and the extent of survival differs based on population, however, there was no difference based on herbicide resistance status.