Abstract Repeated herbicide applications exert enormous selection on blackgrass ( Alopecurus myosuroides ), a major weed in cereal crops of the temperate climate zone including Europe. This inadvertent large-scale experiment gives us the opportunity to look into the underlying genetic mechanisms and evolutionary processes of rapid adaptation, which can occur both through mutations in the direct targets of herbicides and through changes in other, often metabolic, pathways, known as non-target-site resistance. How much either type of adaptation relies on de novo mutations versus pre-existing standing variation is important for developing strategies to manage herbicide resistance. We generated a chromosome-level reference genome for A. myosuroides for population genomic studies of herbicide resistance and genome-wide diversity across Europe in this species. Bulked-segregant analysis evidenced that non-target-site resistance has a complex genetic architecture. Through empirical data and simulations, we showed that, despite its simple genetics, target-site resistance mainly results from standing genetic variation, with only a minor role for de novo mutations.

The evolution of herbicide-resistant weed populations in response to synthetic herbicide selective pressure is threatening safe weed control practices achieved by these molecules. In Australia multiple-resistant populations of annual ryegrass (Lolium rigidum) are effectively controlled by soil-applied herbicides which provide adequate weed control. In this study we define the mechanistic basis of the experimentally-evolved resistance to the soil-applied herbicide pyroxasulfone in a L. rigidum population. TLC and HPLC-MS provide biochemical confirmation that pyroxasulfone resistance is metabolism-based with identification and quantification of pyroxasulfone metabolites formed via a glutathione conjugation pathway in pyroxasulfone-resistant L. rigidum plants. The observed over-expression of two putative resistance-endowing GST genes is consistent with pyroxasulfone-resistance in parental plants (P6) and positively correlated to pyroxasulfone resistance in F1 pair-cross progenies. Thus, a major detoxification mechanism involves glutathione conjugation to pyroxasulfone and GST over-expression in pyroxasulfone-resistant L. rigidum plants. The definition of the genetic basis of metabolic resistance in weeds can be a first crucial step towards chemical means to reverse resistance and improve long-term weed resistance management.

Abstract Background Resistance to PPO-inhibiting herbicides is primarily endowed by target site mutations at the PPO2 gene that compromise binding of the herbicide to the catalytic domain. In Amaranthus ssp. PPO2 , the most prevalent target mutations are deletion of the G210 codon and the R128G and G339A substitutions. These mutations strongly affect the dynamic of the PPO2 binding pocket resulting in reduced affinity with the ligand. Here we investigated the likelihood of co-occurrence of the most widespread target site mutations in the same ppo2 allele. Results Plants carrying R128G+/+ ΔG210+/-, where + indicates presence of the mutation, were crossed with each other. The ppo2 of the offspring was subjected to pyrosequencing and E. coli -based Sanger sequencing to determine mutation frequencies and allele co-occurrence. The data show that R128G ΔG210 can occur only in one allele; the second allele carries only one mutation. Double mutation in both alleles is less likely because of significant loss of enzyme activity. The segregation of offspring populations derived from a cross between heterozygous plants carrying ΔG210 G399A also showed no co-occurrence in the same allele. The offspring exhibited the expected mutation distribution patterns with few exceptions. Conclusions Homozygous double-mutants are not physiologically viable. Double-mutant plants can only exist in a heterozygous state. Alternatively, if two mutations are detected in one plant, each mutation would occur in a separate allele. Nomenclature Palmer amaranth, Amaranthus palmeri S. Wats.; protoporphyrinogen oxidase, PPO; tall waterhemp, Amaranthus tuberculatus ( Moq .) J.D.Sauer