Kann die Saatgutbehandlung mit dem Safener Cyprosulfamid die Verträglichkeit von Isoxaflutole in Mais steigern, die Unkrautbekämpfung verbessern und die Wirkstoffmenge verringern?

Safener, auch Antidote genannt, sind synthetisch hergestellte Substanzen, die Pflanzen vor Herbizidschäden schützen (Hatzios und Hoagland 1989). Der praktische Nutzen ist ein mehrfacher. Beispielsweise erlaubt der Safener Cyprosulfamid die Ausdehnung des Anwendungsfensters des Herbizids Isoxaflutole in Mais vom reinen Vorauflauf bis in den frühen Nachauflauf (3-Blatt-Stadium) der Kultur. Der Zusatz von Mefenpyr zu Fenoxaprop ermöglicht die Anwendung in Gerste. Die verbesserte Kulturverträglichkeit unter Safenereinfluss kann eine Erhöhung der Herbiziddosis erlauben und damit eine größere Breite und höhere Sicherheit der Herbizidwirkung zur Folge haben. Ebenfalls wird die „Elastizität“ der Verträglichkeit von Herbiziden unter ungünstigen Umweltbedingungen (Temperatur, variable Bodenqualität) verbessert. Safener tragen indirekt auch zur Vermeidung der Herbizidresistenz bei, weil sie die Zahl der verfügbaren Wirkstoffe/Wirkmechanismen in einer Kulturpflanze erhöhen und damit den Selektionsdruck auf einen einzelnen Wirkstoff/Wirkmechanismus verringern. Die durch Safener erweiterte Wirkstoffauswahl bietet dem Anwender mehr Optionen zur Rotation von Wirkstoffen.

Bislang sind nur Safener für monokotyle Kulturpflanzen bekannt. Für dikotyle Kulturpflanzen sind bisher keine kommerziell nutzbaren Safener verfügbar (Davies und Caseley 1999). Die Spezifität für die Kultur, den Wirkstoff oder den molekularen Wirkungsmechanismus variiert von Safener zu Safener (Tab. 1). Es gibt feste „Wirkstoff-Safener-Paare“ aber es gibt auch Safener, welche die Verträglichkeit von mehreren Wirkstoffen mit gleichen oder unterschiedlichen Wirkungsmechanismen für eine oder mehrere Arten von Kulturpflanzen verbessern können.

Üblicherweise werden Safeners mit dem oder den herbiziden Wirkstoffen in einem Produkt formuliert und ausgebracht. Nach Herstellen der Spritzbrühe werden die Wirkstoffe und der Safener gemeinsam, d. h. simultan, entweder auf den Boden im Vorauflauf- oder auf das Blatt im Nachauflaufverfahren appliziert. Es ist davon auszugehen, dass die simultane Applikation nicht notwendigerweise eine gleichzeitige Aufnahme von Herbizid und Safener zur Folge hat. Jede Komponente bewegt sich auf der Basis ihrer eigenen physikalisch-chemischen Eigenschaften unabhängig von den Mischpartnern im Boden oder vom Ort der Retention zum Ort der Wirkung.

Die Schutzwirkung der Safener beruht auf der Intensivierung der Metabolisierung von Herbiziden in den Kulturpflanzen. Die Erhöhung der Metabolisierungsrate hält die Herbizidkonzentration in der Kulturpflanze und die Dauer der Einwirkung auf die Nutzpflanze unter der für die Entstehung von Pflanzenschäden kritischen Schwelle. Die Stimulierung der Metabolisierung geschieht auf mehreren Ebenen (Riechers et al. 2010). Der eingesetzte Safener wirkt dabei als Signal und reagiert nicht selbst mit dem abzubauenden Herbizid. Es ist also kein stöchiometrisches Verhältnis zwischen der Anzahl der Wirkstoffmoleküle und der Anzahl der Safenermoleküle für die Schutzwirkung erforderlich.

Die Metabolisierung von Herbiziden findet über eine Sequenz von Reaktionsstufen statt (Gerhards und Santel 2017). Auf der ersten Stufe wird das Substitutionsmuster des Wirkstoffs oder seine Grundstuktur durch Spaltung so verändert, dass die biologische Wirkung verloren geht. Das geschieht beispielsweise durch Oxidationen mithilfe von Cytochrom-450 Oxygenasen, Esterhydrolysen mittels Hydrolasen oder oxidativer Desaminierung. Der Wirkstoff wird in der ersten Phase (Konversion) zu unwirksamen Metaboliten abgebaut. In der zweiten Phase (Konjugation) der Metabolisierung werden die Abbauprodukte aus Phase 1 mit zelleigenen Komponenten wie Glutathion oder aktivierten Zuckermolekülen verbunden. Dabei ändert sich die Löslichkeit, da lipophile Metaboliten zu hydrophilen Konjugaten aus Metabolit und polarer Komponente gekoppelt werden. In Phase 3 werden die Konjugate in andere Zellkompartimente, wie beispielsweise die Vakuole, transportiert und dabei weiter abgebaut oder zusätzlich konjugiert, bevor die nicht weiter verwertbaren Produkte der vorangegangenen Abbaureaktionen in einer vierten Abbauphase als gebundene Rückstände in die Zellwandstruktur eingebaut werden. Die stimulierende Wirkung von Safenern auf den Herbizidabbau beschränkt sich nicht auf die Bereitstellung der für die Herbizidmetabolisierung benötigten zellulären Produkte wie Glutathion. Sie umfasst auch die Erhöhung der Aktivität der beteiligten bereits vorhandenen Enzymmoleküle und die zusätzliche Neusynthese von solchen Enzymmolekülen. Safener erhöhen damit beides, die Aktivität des Herbizidabbaus und die Kapazität für Herbizdabbau. Sie wirken also auf bereits vorhandene Komponenten und sind zusätzlich in der Lage, die Expression bestimmter Gene zu induzieren. Der Weg der Metabolisierung eines Herbizids wird durch einen Safener nicht verändert. Es entstehen keine neuen oder zusätzlichen Metabolite. Nur die Abbaugeschwindigkeit wird erhöht (Kraehmer et al. 2014; Rosinger 2014).

Pflanzen nutzen für die Herbizidmetabolisierung Enzymsysteme, Reaktionssequenzen und Mechanismen, die im Laufe der Evolution als Schutz gegen die Wirkung toxischer Stoffe (organische Komponenten, Schwermetall) und biotischen oder abiotischen Stress entstanden. Es ist daher nicht verwunderlich, dass nach Anwendung von Mischungen aus Herbiziden und Safenern gelegentlich über positive Safenereffekte in Situationen berichtet wird, in denen die Kulturpflanzen zeitweise unter Umweltstress leiden (Gerhards und Santel 2017).

Safener reduzieren zwar das Schadensrisiko von Herbiziden beträchtlich, können aber auch ganz oder teilweise versagen. Unter Bedingungen, unter denen Herbizid und Safener durch unterschiedliche Wanderung oder Transport räumlich und damit zeitlich zu weit getrennt oder verdünnt werden, kann die erreichbare Safenerkonzentration am Ort der Wirkung zu niedrig werden. Die erforderliche Schutzwirkung bleibt dann aus (Gerhards und Santel 2017).

Ziel dieser Studie war es, den Safener Cyprosulfamid (CSA) als Saatgutbeize nur dem Mais bereitzustellen und das Herbizid Isoxaflutole (IFT) allein ganzflächig auszubringen. Damit sollte verhindert werden, dass Unkräuter mit dem Safener in Kontakt kommen und möglicherweise durch den Safener geschützt werden. Eine Begrenzung der mit Safener behandelten Fläche auf die Oberfläche der Maiskörner soll die Aufwandmenge von CSA deutlich vermindern und den Eintrag von Chemikalien in die Umwelt reduzieren. Es sollte geprüft werden, ob der Mais durch die Saatgutbeize ähnlich gut vor Schäden durch IFT bewahrt wird wie durch die simultane Applikation der Co-Formulierung von IFT und CSA. Weiterhin sollte untersucht werden, ob Unkräuter mit der getrennten Ausbringung von CSA als Beize und IFT als Nachauflaufbehandlung besser zu bekämpfen sind.

Die Anwendung von IFT auf Mais im Nachauflaufverfahren zeigte ein erhebliches, von der Herbiziddosis abhängiges, Schadensrisiko auf. Die erzielten Ergebnisse belegen, dass der Safener CSA das Ausmaß dieses Schadens erheblich verminderte, unabhängig davon ob der visuell erkennbare Schaden, die Hemmung des Längenwachstums des oberirdischen Sprosses oder die Bildung von oberirdischer Trockenmasse als Bewertungsparameter gewählt wurde. Die zumindest partielle Kompensation des negativen Effekts des Herbizids auf die Entwicklung von Mais gelang sowohl bei der Anwendung von gleichen Dosierungen von Safener und Herbizid als Nachauflaufspritzung einer entsprechend eingestellten Fertigformulierung als auch nach Vorlage des Safeners als Beize auf dem Saatgut gefolgt von der Nachauflaufanwendung des Herbizids. Bei der praxisüblichen visuellen Bewertung der Verträglichkeit und bei Betrachtung der oberirdischen Trockenmasse war die Schutzwirkung des gebeizten Safeners leicht geringer als die Schutzwirkung des simultan mit dem Herbizid verabreichten Safeners. Die Varianten waren aber nicht signifikant voneinander verschieden. Die schwächere Schutzwirkung des gebeizten Safeners bei der gewählten Dosis könnte eventuell durch eine Dosiserhöhung überwunden werden. Die stabile und ausreichende Schutzwirkung der Anwendung als Fertigformulierung belegt, dass die Herbiziddosis und das Herbizid-Safener-Verhältnis im Rahmen der Entwicklung des kommerziellen Produkts erfolgreich optimiert wurden. In jedem Fall muss der Safener so angewandt werden, dass er die Kulturpflanze vor dem Herbizid erreicht und somit vor der Aufnahme des Herbizides durch die Kulturpflanze den Abwehrmechanismus in der Maispflanze anregen kann (Nelson und Penner 2007). Der Safener aus der Co-Formulierung kann über den Boden und das Blatt in die Pflanze eintreten. Im Boden wird CSA vermutlich schneller aufgenommen als IFT, weil CSA einen niedrigeren Absorptionskoeffizienten und eine höhere Wasserlöslichkeit besitzt als IFT (Pallett et al. 2001). Der Wirkstoff IFT muss im Boden und in der Pflanze zuerst in seine aktive herbizide Form umgewandelt werden, was wiederum den Vorteil beinhaltet, dass CSA in der Co-Formulierung schneller wirkt als IFT (Pallett et al. 2001). Bei der Saatgutbehandlung mit CSA könnte die Schutzwirkung zumindest bei späten Herbizidapplikation im 4–6-Blatt-Stadium verlorengehen. Dies haben Mink et al. (2020) in Feldstudien belegt. Im 2‑Blatt-Stadium war die Wirkung von CSA jedoch noch vorhanden.

Die zuverlässige Bekämpfung der im Test verwendeten mono- und dikotylen Unkräuter mit Herbizddosierungen, die für Mais verträglich waren, belegt die Nutzbarkeit von IFT-CSA-Kombinationen zur selektiven Unkrautbekämpfung in Mais. Die durch Cyprosulfamid verursachte Reduktion der Wirkung gegen S. media könnte als Hinweis darauf gewertet werden, dass die Wirkung von CSA nicht nur Mais betrifft, sondern erstaunlicherweise auch eine dikotyle Pflanze. Dieses Ergebnis widerspricht zwar den Beobachtungen von Hatzios (1991), wonach Safener bei dikotylen Pflanzen keinen Schutz vor Herbizidschäden hervorrufen. Da sich die Metabolisierung von herbiziden Wirkstoffen in mono- und dikotylen Pflanzen aber ähnelt (Kreuz et al. 1996), besteht die Vermutung, dass die Wirkungsweise von Safenern für alle Pflanzen dieselbe ist (DeRidder et al. 2002). Die beobachtete Verringerung der Wirkung war aber viel zu gering, um von kommerziell relevantem Safening zu sprechen.

Die auch in Gegenwart des Safeners reduzierte oberirdische Trockenmasse weist darauf hin, dass eine Kompensation der Schädigung von Mais über den Beobachtungszeitraum nicht vollständig gelang. Ob unter dem Einfluss des Safeners eine Umverteilung von neu synthetisierter Biomasse zu Ungunsten des Sprosses hin zu anderen Organen stattfand oder ob die durch IFT geschädigte Pflanze sich über einen längeren Zeitraum oder nur unvollständig erholt, bleibt noch zu klären.

Die Schutzwirkung des Safeners reicht aus, um das selektive Anwendungsfenster von IFT vom reinen Vorauflauf bis in den frühen Nachauflauf zu erweitern. Der praktische Nutzen des Wirkstoffs steigt damit deutlich, da seine Anwendungsflexibilität erheblich steigt.