Durable crop protection is an essential component of current and future food security. However, the effectiveness of pesticides is threatened by the evolution of resistant pathogens, weeds and insect pests. Pesticides are mostly novel synthetic compounds, and yet target species are often able to evolve resistance soon after a new compound is introduced. Therefore, pesticide resistance provides an interesting case of rapid evolution under strong selective pressures, which can be used to address fundamental questions concerning the evolutionary origins of adaptations to novel conditions. We ask: (i) whether this adaptive potential originates mainly from de novo mutations or from standing variation; (ii) which pre-existing traits could form the basis of resistance adaptations; and (iii) whether recurrence of resistance mechanisms among species results from interbreeding and horizontal gene transfer or from independent parallel evolution. We compare and contrast the three major pesticide groups: insecticides, herbicides and fungicides. Whilst resistance to these three agrochemical classes is to some extent united by the common evolutionary forces at play, there are also important differences. Fungicide resistance appears to evolve, in most cases, by de novo point mutations in the target-site encoding genes; herbicide resistance often evolves through selection of polygenic metabolic resistance from standing variation; and insecticide resistance evolves through a combination of standing variation and de novo mutations in the target site or major metabolic resistance genes. This has practical implications for resistance risk assessment and management, and lessons learnt from pesticide resistance should be applied in the deployment of novel, non-chemical pest-control methods.

Should the declining diversity of weed communities in conventionally managed arable fields be regarded as a problem? The answer to this question has tended to divide researchers into those whose primary focus is on conserving farmland biodiversity and those whose goals are dictated by weed control and maximising yield. Here, we argue that, regardless of how weeds are perceived, there are common ecological principles that should underpin any approach to managing weed communities, and, based on these principles, increasing in-field weed diversity could be advantageous agronomically as well as environmentally. We hypothesise that a more diverse weed community will be less competitive, less prone to dominance by highly adapted, herbicide-resistant species and that the diversity of the weed seedbank will be indicative of the overall sustainability of the cropping system. Common to these hypotheses is the idea that the intensification of agriculture has been accompanied by a homogenisation of cropping systems and landscapes, accounting for both declines in weed diversity and the reduced resilience of cropping systems (including the build-up of herbicide resistance). As such, weed communities represent a useful indicator of the success of rediversifying systems at multiple scales, which will be a central component of making agriculture and weed control more sustainable.

Abstract Weeds are attractive models for basic and applied research due to their impacts on agricultural systems and capacity to swiftly adapt in response to anthropogenic selection pressures. Currently, a lack of genomic information precludes research to elucidate the genetic basis of rapid adaptation for important traits like herbicide resistance and stress tolerance and the effect of evolutionary mechanisms on wild populations. The International Weed Genomics Consortium is a collaborative group of scientists focused on developing genomic resources to impact research into sustainable, effective weed control methods and to provide insights about stress tolerance and adaptation to assist crop breeding.

Summary Globally, weedy plants result in more crop yield loss than plant pathogens and insect pests combined. Much of the success of weeds rests with their ability to rapidly adapt in the face of human-mediated environmental management and change. The evolution of resistance to herbicides is an emblematic example of this rapid adaptation. Here, we focus on Alopecurus myosuroides (blackgrass), the most impactful agricultural weed in Europe. To gain insights into the evolutionary history and genomic mechanisms underlying adaptation in blackgrass, we assembled and annotated its large, complex genome. We show that non-target site herbicide resistance is oligogenic and likely evolves from standing genetic variation. We present evidence for divergent selection of resistance at the level of the genome in wild, evolved populations, though at the transcriptional level, resistance mechanisms are underpinned by similar patterns of up-regulation of stress- and defence-responsive gene families. These gene families are expanded in the blackgrass genome, suggesting that the large, duplicated, and dynamic genome plays a role in enabling rapid adaptation in blackgrass. These observations have wide significance for understanding rapid plant adaptation in novel stressful environments.

Abstract The evolution of resistance to pesticides in agricultural systems provides an opportunity to study the fitness costs and benefits of novel adaptive traits. Here, we studied a population of Amaranthus tuberculatus (common waterhemp), which has evolved resistance to glyphosate. Following the production of seed families with contrasting levels of glyphosate resistance, we assessed the growth and fitness of seed families in the absence of glyphosate and determined their ability to compete for resources under intra- and interspecific competition. Further investigation revealed a positive correlation between the level of resistance and gene copy number for the 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) glyphosate target, thus indicating gene amplification as the mechanism of resistance within the population. Resistant common waterhemp plants were found to have a lower competitive response when compared to the susceptible phenotypes. A substitution rate of 2.76 glyphosate resistant plants was required to have an equal competitive effect as a single susceptible plant. A growth trade-off was associated with the gene amplification mechanism under intra-phenotypic competition where 20 extra gene copies were associated with a 26.5 % reduction in dry biomass. Interestingly, this growth trade-off was mitigated when assessed under interspecific competition from maize.

Abstract The International Weed Genomics Consortium is a collaborative group of researchers focused on developing genomic resources for the study of weedy plants. Weeds are attractive systems for basic and applied research due to their impacts on agricultural systems and capacity to swiftly adapt in response to anthropogenic selection pressures. Our goal is to use genomic information to develop sustainable and effective weed control methods and to provide insights about biotic and abiotic stress tolerance to assist crop breeding. Here, we outline resources under development by the consortium and highlight areas of research that will be impacted by these enabling resources.