Respuesta de Aphis gossypii Glover (Homoptera: Aphididae) y sus enemigos naturales entomófagos a la colonización de plantas de melón por hongos entomopatógenos endófitos

Abstract

La evolución de la agricultura hacia un modelo más sostenible requiere reemplazar progresivamente los insecticidas químicos de síntesis por otras alternativas de control de plagas de insectos más respetuosas con el medioambiente y el ser humano, para garantizar la seguridad e inocuidad alimentarias. El control microbiano de plagas es una de estas alternativas, y dentro de los microorganismos entomopatógenos, los hongos entomopatógenos (HE), por su presencia natural y modo de acción por contacto, presentan un gran potencial para el control de varios grupos de insectos de gran relevancia agrícola, como los fitomizos, y muy en particular los pulgones. Durante el siglo XXI, se han puesto de manifiesto distintas asociaciones de los HE con las plantas con nuevas funciones ecológicas, en la rizosfera, en el filoplano, y como endófitos, que han ampliado las posibilidades de su empleo para el control de plagas, y de forma más amplia, en producción vegetal. Sin embargo, permanecen desconocidos los posibles efectos directos e indirectos de la colonización endofítica de las plantas por los HE no sólo sobre el insecto hospedante, sino sobre las señales químicas producidas por las plantas, y, por tanto, sobre las relaciones insecto fitófago-planta o incluso en las de los insectos fitófagos con sus enemigos naturales En la presente tesis doctoral se ha estudiado el efecto de la colonización endofítica de plantas de melón por cepas de Beauveria bassiana (Balsamo) Vuil. y Metarhizium brunneum Petch, tanto sobre la biología del “pulgón del algodón” Aphis gossypii Glover, (Homoptera: Aphididae), importante plaga polífaga de cultivos hortícolas, como sobre su comportamiento alimenticio y capacidad de transmitir virus persistentes y no persistentes, y además, el impacto de esta colonización sobre las señales químicas producidas por la planta y las relaciones del pulgón con sus enemigos naturales entomófagos, para su posible empleo en estrategias de control integrado del áfido. El capítulo II pone de manifiesto que la cepa EABb 01/33-Su de B. bassiana reduce significativamente la población de A. gossypii tanto cuando los especímenes se alimentan a expensas de hojas pulverizadas y colonizadas, como cuando lo hacen a expensas de hojas colonizadas distantes de las pulverizadas, mientras que las cepas EABb 04/01-Tip de B. bassiana y EAMa 01/58-Su de M. brunneum solo redujeron la población en la primera circunstancia (aunque a un nivel de significación del 10% también en la segunda). La eficacia como endófita de la cepa EABb 01/33-Su para manifestar su máxima virulencia en tejidos distantes a los tratados en plantas de melón ha hecho que fuera seleccionada para ser utilizada a lo largo de los experimentos llevados a cabo en los capítulos III y IV. En este capítulo además, se destaca una falta de efecto de la colonización endófitica de plantas de melón con las tres cepas seleccionadas sobre fecundidad total per capita de los pulgones 5 días después de la exposición, aunque se detecta una modificación en el comportamiento reproductivo de los pulgones que se alimentan a expensas de plantas colonizadas, que, con respecto a los especímenes sanos, aceleran su actividad reproductiva para alcanzar con anterioridad su máximo potencial biótico. En este capítulo, se describen en primicia diferencias cualitativas y cuantitativas en el perfil de compuestos volátiles liberados por las plantas colonizadas endofíticamente e infestadas posteriormente por A. gossypii en comparación con los compuestos que emiten las plantas testigo. Sin embargo, la colonización endofítica de plantas por AMEs no influye en su elección por parte de los pulgones. En el capítulo III se ha estudiado la influencia de la colonización endofítica sobre el comportamiento alimenticio de los pulgones y a la transmisión de virus persistentes y no persistentes. Mediante el empleo de la técnica de gráficos de penetración eléctrica (EPGs), aplicada por primera vez a pulgones que se alimentan a expensas de plantas colonizadas con hongos entomopatógenos, ha sido posible detectar la actividad del estilete del insecto y relacionarla con los procesos de transmisión de virus en plantas de melón colonizadas con la cepa EABb 01/33-Su de B. bassiana. Los resultados revelan que dicha colonización no afecta al comportamiento alimenticio de A. gossypii asociado a la inoculación del Cucumovirus no persistente, Cucumber mosaic virus (CMV), y al Polerovirus persistente Cucurbit aphid-borne yellows virus, pero modifica algunas relacionadas con el proceso de adquisición de virus no persistentes, posiblemente asociadas con alteraciones en el comportamiento alimenticio del pulgón debidas a un mesófilo con estructuras fúngicas o los metabolitos secretados por ellas o incluso por la activación de las defensas de la planta. Además, los ensayos de transmisión llevados a cabo revelan que la incidencia de los dos virus estudiados se ve significativamente reducida cuando las plantas se encuentran colonizadas endofíticamente con la cepa EABb 01/33-Su de B. bassiana antes de producirse su infestación con pulgones virulíferos, lo que posiblemente se debe a la inducción de resistencia sistémica consecuencia de la colonización de la planta por el hongo. Finalmente, en el capítulo IV se determina el efecto de la colonización endofítica de los AMEs sobre las relaciones tritróficas de los pulgones, no solo con las plantas colonizadas, sino con los enemigos naturales entomófagos de A. gossypii, el depredador generalista Chrysoperla carnea (Stephens) (Coleoptera: Chrysopidae) y el parasitoide de pulgones Aphidius colemani (Dalman) (Hymenoptera: Braconidae), cuando estos depredan o parasitan a pulgones que se alimentan a expensas de ellas. La cantidad de hembras ápteras de A. gossypii consumidas por C. carnea, así como el tiempo de consumo, no se vieron afectadas significativamente tras su exposición directa a una suspensión de conidios de la cepa EABb 01/33-Su, en comparación con lo observado con los pulgones testigo. Sin embargo, las crisopas no consumieron por completo los pulgones con indicios de infección fúngica, como posible mecanismo de seguridad por parte del neuróptero. Además, se ha demostrado que no existe un efecto sobre la eficacia depredadora de C. carnea cuando se alimenta de pulgones que se habían alimentado previamente de plantas de melón colonizadas endofíticamente con B. bassiana, aunque se detecta una tendencia a una reducción en el consumo de presas y un incremento en el tiempo de consumo en comparación con el control. Sin embargo, los resultados obtenidos en los ensayos de elección muestran una preferencia significativa de las crisopas por los pulgones de A. gossypii que se alimentan de plantas de melón colonizadas con la cepa EABb 01/33-Su, con respecto a las plantas testigo, lo que podría estar relacionado con los resultados del capítulo II, ya que algunos de los compuestos detectados en las plantas que se encontraban colonizadas endofíticamente podrían afectar al comportamiento de los insectos actuando como atrayentes. En cuanto al efecto sobre parasitoides, no se han observado diferencias significativas en el número de momias de A. colemani formadas, porcentaje de emergencia y ratio sexual de los adultos emergidos cuando las hembras ápteras de su insecto hospedante A. gossypii se encontraban alimentándose en hojas de melón colonizadas endofíticamente con la cepa EABb 01/33-Su en comparación con el testigo, lo que finalmente refuerza el empleo de hongos entomopatógenos en combinación con otros enemigos naturales como depredadores y parasitoides en programas de control integrado de pulgones. Esta tesis sienta las bases del empleo de hongos entomopatógenos endófitos para el control de pulgones, no solo por el efecto directo de los propágulos fúngicos sobre los áfidos, sino también por los efectos directos e indirectos sobre los mismos que acarrea la colonización endofítica de las plantas por las cepas fúngicas. Además, la tesis ilustra las ventajas de la estrategia, no solo por extender su eficacia a la capacidad de los pulgones para transmitir virus, sino por su compatibilidad en control integrado con entomófagos, parasitoides y depredadores.

Agricultural sustainability requires progressively replacing synthetic chemical insecticides by more environmentally friendly pest control measures in order to guarantee food safety and food security. Microbial control is one of these alternatives, and among entomopathogenic microorganisms, entomopathogenic fungi (EF), due to their natural presence and mode of action by contact, show high potential for the control of several groups of insects of great agricultural relevance, such as sapsucking insects, especially aphids. During the 21st century, different associations of the EF with the plants in the rhizosphere, in the phylloplane, and as endophytes, have been discovered, new ecological roles that have expanded the possibilities of their use for pest management, and more broadly, in crop production. However, research on the direct and indirect effects of the endophytic colonization of the crop by EF is needed, with emphasis in the effect of such colonization on the plant semiochemical composition and tritrophic relationships between the insect pest and the crop and between the insect pest and its natural enemies. In this thesis, the effect of the endophytic colonization of melon plants by two strains of Beauveria bassiana (Balsamo) Vuil and one of Metarhizium brunneum Petch, has been studied on both the fitness of the "cotton aphid" Aphis gossypii Glover, (Homoptera: Aphididae), a key pest of horticultural crops, as well as on its feeding behavior and ability to transmit persistent and non-persistent viruses. In addition, the present research focuses on the impact of this colonization on the chemical signals produced by the plant and on the relationships between the aphid and its natural entomophagous enemies for the development of IPM strategies. Hence, in chapter II, it is shown that B. bassiana EABb 01/33-Su strain significantly reduces the population of A. gossypii both when the specimens were fed on sprayed and endophytically colonized leaves (SCL), and when they fed only on nonsprayed colonized leaves (NSCL), distant from the sprayed ones. Meanwhile, strains EABb 04/01-Tip of B. bassiana and EAMa 01/58-Su of M. brunneum only reduced the aphid population when fed on SCL leaves, whereas feeding on NSCL also causes a significant reduction of the aphid population at a significance level of 0.1 (10%). Strain EABb 01/33-Su was shown to have the better endophytic behavior and therefore it was selected to be used throughout the experiments carried out in chapters III and IV. In Chapter II, it is also revealed a lack of effect of the endophytic colonization of melon plants with the three selected strains on total per capita fecundity of the aphids 5 days after the exposure, whereas aphids that feed on colonized plants advanced their average onset of nymph laying. Finally, in chapter II, qualitative and quantitative differences in the blend of volatile compounds released by endophytically colonized plants and subsequently infested by A. gossypii in comparison with the compounds emitted by control plants have been detected. Noteworthy, endophytic colonization of melon plants by the selected fungal strains did not modify aphid choice. In chapter III, the influence of melon endophytic colonization on the aphid feeding behavior and the transmission of persistent and non-persistent viruses has been studied. By using the electrical penetration graph (EPGs) technique, applied for the first time to aphids that feed on plants colonized with entomopathogenic fungi, it has been possible to detect the activity of the insect's stylet and relate it to the transmission processes of viruses in melon plants colonized with the B. bassiana strain EABb 01/33-Su. Melon endophytic colonization did not affect the feeding behavior of A. gossypii associated with the inoculation of the non-persistent Cucumovirus, Cucumber mosaic virus (CMV), and the persistent Polerovirus Cucurbit aphid-borne yellows virus, but modified the acquisition process of nonpersistent viruses, which could be related to modifications of the feeding behavior of the aphid due to presence of fungal propagules or fungal metabolites in the mesophyll. In addition, the transmission bioassays carried out revealed that the incidence of the two target viruses was significantly reduced when the plants were endophytically colonized by the B. bassiana strain EABb 01/33-Su. Finally, in chapter IV, the effect of melon endophytic colonization by EABb 01/33-Su strain on the tritrophic interaction of A. gossypii with the crop and with their natural enemies, the generalist predator Chrysoperla carnea (Stephens) (Coleoptera: Chrysopidae) and the aphid parasitoid Aphidius colemani (Dalman) (Hymenoptera: Braconidae), was investigated. The number of apterous females of A. gossypii consumed by C. carnea, as well as the time of consumption, were not significantly affected by direct exposure to a conidial EABb 01/33-Su suspension as compared with the controls. Noteworthy, the lacewings did not completely consume the aphids with signs of fungal infection, as a possible safety mechanism developed by the predator. In addition, it has been shown the lack of a significant effect of endophytic colonization of the aphid hos plant, melon, on the predatory efficacy of C. carnea, whereas a trend towards a prey consumption decrease and consumption time increase was detected in comparison with the controls. Interestingly, the choice experiments revealed a significant preference of lacewings for aphids that fed on EABb 01/33-Su colonized melon plants, which could be related to the overproduction of certain semiochemicals elicited by endophytic colonization with known predator attractant potential. In addition, no significant differences were observed in the number of mummies of A. colemani formed, percentage of emergence and sexual ratio of the emerged adults when the insect host A. gossypii fed on EABb 01/33-Su endophytically melon leaves, which strengthen the potential of the simultaneous use of EF and predators and parasitoids in A. gossypii IPM. On the overall, the results of this thesis support the development of mycoinsecticides for aphid control due to the direct effect of fungal spray on the aphid population, but also due to direct and indirect effects related to the endophytic colonization of the plant by the fungal biocontrol agent, with emphasis in the reduction of the aphid virus-transmission potential. In addition, the results of the thesis highlight the compatibility of endophytic EF with parasitoids and predators.