Mit Mathematik gegen Unkraut

Seit jeher stellen Unkräuter für die Landwirtschaft ein erhebliches Problem dar. Sie konkurrieren mit den Kulturpflanzen um Ressourcen wie Licht, Wasser und Nährstoffe, was schwere Ertragseinbußen zur Folge haben kann.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben nun ein mathematisches Modell entwickelt, das Vorhersagen für ein bestimmtes Unkraut ermöglicht. Von Würzburger Seite war Chaitanya S. Gokhale, Professor für Theoretische Biologie, an der Studie beteiligt.

Herbizide als Meilenstein

Die Einführung von Herbiziden in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts war ein großer Durchbruch für die Unkrautbekämpfung in der konventionellen Landwirtschaft. So ermöglichen Herbizide eine effiziente Beseitigung von Unkräutern bei besonders geringem Einsatz von Arbeitskräften und haben die manuelle oder rein mechanische Beseitigung weitestgehend ersetzt.

Jedoch haben über die Jahre etliche Sorten Resistenzen gegen verschiedene Herbizide entwickelt, was die Landwirtschaft vor große Schwierigkeiten bei deren Bekämpfung stellt und ultimativ die Ernährungssicherheit gefährden kann. Herbizidresistenzen treten spontan auf und können in geringer Häufigkeit bereits in Unkrautpopulationen vorhanden sein, die noch nie mit den Herbiziden behandelt wurden. Bei Anwendung von Herbiziden haben resistente Pflanzen einen Wettbewerbsvorteil und ihr Anteil an der Population steigt rasch an. Ist der Anteil resistenter Pflanzen erst einmal hoch genug, wird die Unkrautpopulation nicht mehr durch das Herbizid unterdrückt.

Mehrjährige Unkräuter stellen besondere Herausforderung dar

Mehrjährige Unkräuter wie Johnsonsgras (Sorghum halepense) sind besonders schwer zu kontrollieren und können zu immensen Ertragseinbußen führen. Grund dafür ist, dass sie sich sexuell mithilfe von Samen vermehren, sich aber ebenso vegetativ über unterirdische, horizontal wachsende Sprossachsen, den sogenannten Rhizomen, fortpflanzen können. Ein inaktiver Samenvorrat im Boden sichert das erneute Wachstum der Unkrautpopulation in der nächsten Saison. Eine bessere Kontrolle kann hier durch zusätzliche Bodenbearbeitung und entsprechende Rotationen der Kulturpflanzen erzielt werden. Ähnlich wie beim Einsatz von Antibiotika kann eine Kombination verschiedener Herbizide oder deren Rotation das Auftreten von Resistenzen verzögern.

Methoden der Unkrautkontrolle können in Feldstudien untersucht werden. Jedoch sind diese naturgemäß in Dauer und Anzahl limitiert. Die mathematische Modellierung hat sich für die Vorhersage von Populationsdynamiken und der Resistenzentwicklung in Unkräutern als äußerst hilfreich erwiesen. Die meisten Modelle beschäftigen sich allerdings nur mit einjährigen Pflanzen, da der Lebenszyklus von mehrjährigen Unkräutern sehr komplex ist.

Möglichkeit der Vorhersage

Das nun vorgestellte Modell ermöglicht es, Populationsdynamiken und die Evolution von Herbizidresistenzen in Johnsongras vorherzusagen. Es den komplexen Lebenszyklus der Pflanze und den Effekt von Herbiziden und Bodenbearbeitung ab. So kann auch untersucht werden, welchen Einfluss Besonderheiten des Lebenszyklus auf die Bekämpfung mehrjährigen Unkrauts und die Entstehung von Resistenzen haben. In Computersimulationen konnten die Forschenden unter anderem herausfinden, welche Kontrollstrategien effektiv sind, um ebenso die Evolution von Herbizidresistenzen zu verzögern wie auch die Unkrautpopulation klein zu halten.

Kombinationen von mehreren Herbiziden mit verschiedenen Wirkweisen sind Rotationen und Einzelanwendungen bei der Kontrolle von Johnsongraspopulationen und Herbizidresistenzen deutlich überlegen. Sie verringern das Risiko von Herbizidresistenzen und des Scheiterns der Unkrautbekämpfung. In diesem Zusammenhang diskutieren die Wissenschaftler jedoch auch eine potenzielle Erhöhung der Umweltbelastung durch den Einsatz von mehr Herbiziden.

Herbizidrotationen hingegen können das Auftreten von Resistenzen nicht verzögern, verlangsamen aber das Wachstum resistenter Teilpopulationen. Die Resultate weisen außerdem darauf hin, dass Bodenbearbeitung ein wichtiger Faktor bei der Bekämpfung von Johnsongras ist. Die Unkrautdichte und damit das Risiko eines Scheiterns der Unkrautkontrolle wird reduziert.

Das entwickelte Modell trägt zu einem besseren Verständnis der Entstehung und Ausbreitung von Herbizidresistenzen in Unkrautpopulationen bei. Die Studie kann so helfen, nachhaltige Strategien zur Unkrautbekämpfung zu entwickeln. Die Studie wurde kürzlich im Magazin Nature Plants veröffentlicht.

Originalpublikation

Lauenroth, Dana & Gokhale, Chaitanya S.: Theoretical assessment of persistence and adaptation in weeds with complex life cycles in Nature Plants. DOI: 10.1038/s41477-023-01482-1

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01482-1

Kontakt

Prof. Dr. Chaitanya S. Gokhale, Center for Computational Biology and Theoretical Biology, E-Mail: chaitanya.gokhale@uni-wuerzburg.de