A mechanistic model of pollinator-mediated gene flow in agricultural safflower

In many species of crop plant, gene flow by cross-pollination is possible between spatially separate fields. To preserve a crop's varietal purity or to restrict ingress into conventional varieties of genetically modified (GM) genes, a quantitative understanding of gene flow is useful. Previous measurements of gene flow in safflower (Carthamus tinctorius L.), a crop with GM varieties, were made in plots of less than 1 ha. Here, I evaluate a mathematical model of field-to-field gene flow due to insect pollination using parameter values appropriate to a large agricultural field of safflower. The model was solved based on laboratory pollination experiments and observations made on a large (40 ha) safflower field in Lethbridge, Canada that was pollinated by honey bees (Apis mellifera) and bumble bees (Bombus spp.). The model estimated the maximum feasible level of bee-mediated, field-to-field gene flow to range between 0.05% and 0.005% of seed set (95% upper confidence intervals of 0.23% and 0.023%), depending on the composition of the bee fauna. These relatively low values emerged for two reasons: safflower has a high capacity for automatic self-fertilization; and bees undertook long foraging bouts in the field, which made between-field pollinations relatively rare. A strategy for minimizing GM gene flow should utilize a conventional safflower variety that has a high capacity for automatic self-fertilization and should allow the conventional plants to grow in large stands to encourage long foraging bouts by bees.

ZusammenfassungBei vielen Arten von Kulturpflanzen ist der Genfluss zwischen räumlich getrennten Feldern aufgrund von Kreuzbestäubung möglich. Um die Sortenreinheit einer Kulturpflanze zu erhalten oder um das Einkreuzen von Genen von genetisch modifizierten Pflanzen (GM) bei konventionellen Pflanzen zu vermeiden, ist ein quantitatives Verständnis des Genflusses hilfreich. Bisherige Untersuchungen des Genflusses bei Öldisteln (Carthamus tinctorius L.), einer Kulturpflanze mit GM Sorten, wurden auf Flächen kleiner als 1ha durchgeführt. An dieser Stelle evaluiere ich ein mathematisches Modell des Genflusses von Feld zu Feld aufgrund von Insektenbestäubung unter Verwendung von Parameterwerten, die für ein großes landwirtschaftliches Feld von Öldisteln wahrscheinlich sind. Das Modell basiert auf Bestäubungsexperimenten im Labor und Beobachtungen, die auf einem großen Öldistelfeld in Lethbridge, Kanada, gemacht wurden, das von Honigbienen (Apis mellifera) und Hummeln (Bombus spp.) bestäubt wurde. Mit dem Modell wurde der maximal mögliche Level des Genflusses von Feld zu Feld, der von Bienen vermittelt wurde, im Bereich zwischen 0,5 und 0,005% des Samenansatzes ermittelt (mit einem 95% Konfidenzintervall von 0,23 bzw. 0,023%), je nach dem, wie die Bienenfauna zusammengesetzt war. Diese relativ geringen Werte traten aus zwei Gründen auf: die Öldistel hat ein hohes Potenzial für eine automatische Selbstbestäubung und die Hummeln machten lange Nahrungsflüge innerhalb eines Feldes, so dass Bestäubungen zwischen den Feldern relativ selten waren. Eine Strategie, um den GM Genfluss zu minimieren, sollte eine Öldistelsorte bevorzugen, die eine hohe Kapazität für Selbstbestäubung hat, und die Pflanzen sollten in großen Beständen angebaut werden, um lange Nahrungsflüge bei den Bienen zu fördern.