Würzburg, Germany
July 16, 2025
A new mathematical model shows how the costs for farmers change when their plants develop fungicide resistance. It was developed by an international research team.
Fungal diseases can not only threaten the yield of a single field. They can also spread to others in the surrounding area. (Image: mazolafoto / AdobeStock)
Fungicides are plant protection products that kill fungi or their spores. In agriculture, these products are used to combat fungal diseases and ensure crop yields. The disadvantage: if used excessively, resistant pathogens can develop and even infect neighbouring fields.
An international research team has developed a mathematical model that can be used to calculate the economic and often hidden costs of fungicide resistance. Chaitanya Gokhale, Professor of Theoretical Evolutionary Biology at Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), was one of the researchers involved. The results have been published in the journal PLOS Sustainability and Transformation.
For the calculations, the researchers used a model that can be used to calculate the spread of fungal diseases in several fields. The team combined this with analysis methods from economics.
Creating a mathematical framework
“Our results show that the economic costs of fungicide resistance are not so easy to determine,” says the JMU professor. The study showed that yields can increase or decrease depending on the context. The highest costs of resistance are generated by pathogens with a medium invasiveness - i.e. a medium ability to spread into new areas.
"We observed that while intuitively the total economic costs increase with more resistance and more yield loss, they actually decrease with expensive fungicides," says Gokhale. The team was also able to identify several biological factors that influence the costs. On the one hand, the degree of resistance within a pathogen population is important. Secondly, the basic reproduction number of a pathogen is also decisive. In addition, it depends on how much field yield is lost due to a fungal infection.
“Our study provides the mathematical framework with which political decision-makers and stakeholders from the agricultural sector can work,” says the evolutionary biologist. On this basis, effective measures for the sustainable use of fungicides can be designed. This in turn could help to secure crop yields, reduce the unnecessary use of chemicals and ensure long-term food security.
As this is a theoretical model, the appeal to researchers is clear: “Future data collection and empirical studies will help test our findings in the field,” says Gokhale.
An international cooperation
In addition to the JMU researcher, the following were involved in carrying out the study: Dr. Alexey Mikaberidze, University of Reading (England), Dr. Maria Bargués-Ribera, University of Cambridge (England), and Dr. Prateek Verma, University of Berkeley (California, USA).
Publication
The cost of fungicide resistance evolution in multi-field plant epidemics. Alexey Mikaberidze, Chaitanya Gokhale, Maria Bargués-Ribera, Prateek Verma. PLOS Sustainability and Transformation, 27. June 2025, https://doi.org/10.1371/journal.pstr.0000178
Die Kosten einer Fungizid-Resistenz
Ein neues mathematisches Modell zeigt, wie sich die Kosten für Landwirte verändern, wenn ihre Pflanzen eine Fungizid-Resistenz entwickeln. Konzipiert wurde es von einem internationalen Forschungsteam.
Fungizide sind Pflanzenschutzmittel, die Pilze oder deren Sporen abtöten. In der Landwirtschaft dienen die Mittel dazu, Pilzkrankheiten zu bekämpfen und Felderträge zu sichern. Der Nachteil: Bei übermäßigem Einsatz können sich resistente Krankheitserreger bilden und sogar angrenzende Felder befallen.
Ein internationales Forschungsteam hat ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem sich die ökonomischen und häufig auch versteckten Kosten einer Fungizid-Resistenz berechnen lassen. Daran beteiligt war unter anderem Chaitanya Gokhale, Professor für Theoretische Evolutionsbiologie an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Die Ergebnisse sind im Fachmagazin PLOS Sustainability and Transformation erschienen.
Für die Berechnungen nutzten die Forschenden ein Modell, mit dem sich die Ausbreitung von Pilzkrankheiten auf mehreren Feldern berechnen lässt. Kombiniert hat das Team dieses mit Analyse-Methoden aus den Wirtschaftswissenschaften.
Einen mathematischen Rahmen schaffen
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die ökonomischen Kosten einer Fungizid-Resistenz nicht so einfach zu ermitteln sind“, so der JMU-Professor. Die Studie ergab, dass je nach Kontext die Erträge steigen oder sinken können. Die höchsten Kosten einer Resistenz erzeugen Krankheitserreger, die eine mittlere Invasivität – also eine mittlere Fähigkeit sich in neue Gebiete auszubreiten – aufweisen.
„Wir haben festgestellt, dass die wirtschaftlichen Gesamtkosten zwar mit zunehmender Resistenz und größerem Ertragsverlust steigen, aber mit teuren Fungiziden tatsächlich sinken“, so Gokhale. Das Team konnte zudem mehrere biologische Faktoren ausmachen, die die Kosten beeinflussen. Zum einen ist der Grad der Resistenz innerhalb einer Erreger-Population wichtig. Zum anderen ist auch die grundlegende Reproduktionszahl eines Krankheitserregers entscheidend. Zusätzlich kommt es darauf an, wie viel Feldertrag durch eine Pilzinfektion verloren geht.
„Unsere Studie liefert den mathematischen Rahmen, mit dem politische Entscheidungsträger und Interessenvertreterinnen und -vertreter aus der Landwirtschaft arbeiten können“, so der Evolutionsbiologe. Auf dieser Basis ließen sich wirksame Maßnahmen zum nachhaltigen Einsatz von Fungiziden konzipieren. Dies wiederum könne dazu beitragen, die Erträge von Nutzpflanzen zu sichern, den unnötigen Einsatz von Chemikalien zu reduzieren und die langfristige Nahrungsmittelsicherheit zu gewährleisten.
Da es sich um ein theoretisches Modell handelt, ist der Appell an die Forschung eindeutig: „Künftige Datenerhebungen und empirische Studien werden dazu beitragen, unsere Erkenntnisse in der Praxis zu überprüfen“, meint Gokhale.
Eine internationale Kooperation
Neben dem JMU-Forscher waren an der Durchführung der Studie beteiligt: Dr. Alexey Mikaberidze, Universität Reading (England), Dr. Maria Bargués-Ribera, Universität Cambridge (England), sowie Dr. Prateek Verma, Universität Berkeley (Kalifornien, USA).
Publikation
The cost of fungicide resistance evolution in multi-field plant epidemics. Alexey Mikaberidze, Chaitanya Gokhale, Maria Bargués-Ribera, Prateek Verma. PLOS Sustainability and Transformation, 27. Juni 2025, https://doi.org/10.1371/journal.pstr.0000178
Topics
Species
