Bases ecológicas para el manejo de plagas

2.2.3. Otros mecanismos

En la literatura se menciona la resistencia conductual, en la cual se describe el desarrollo de la capacidad de los individuos de una población para evitar una dosis letal de insecticida. Existen muy pocos ejemplos de este mecanismo, siendo uno el de disminución de la ovipostura de la mosca verde (L. cuprina) frente a residuos del insecticida piretroide cicloprotrina. Esta conducta es heredable en forma parcialmente dominante y poligénica (Mota-Sánchez et al., 2002). También se señala la resistencia por reducción de la penetración de los insecticidas a través del exoesqueleto de los insectos, la cual se ha reportado en algunos mosquitos (Anopheles spp. y Culex pipiens) como resultado de cambios en el grosor y/o composición de la cutícula. Los pocos casos descritos de resistencia por penetración reducida se presentan generalmente en conjunto con mecanismos de insensibilidad en sitios activos y resistencia metabólica (Pittendrigh et al., 2008; Balabanidou et al., 2018).

2.3. Resistencia cruzada y múltiple

La resistencia frecuentemente no se restringe solamente a un ingrediente activo o a un grupo químico de insecticidas, ya que algunos mecanismos de resistencia producen efectos sobre varios ingredientes activos con el mismo y a veces diferente modo de acción. De la misma manera se pueden presentar diferentes mecanismos de resistencia en un mismo individuo en forma simultánea.

2.3.1. Resistencia cruzada

Se produce cuando una población sometida a la presión de selección con un insecticida, adquiere un mecanismo de resistencia a este y a otros insecticidas que, aunque no hayan sido aplicados generalmente, comparten su modo de acción. Por ejemplo, la resistencia por mutaciones kdr y súper kdr en el pulgón verde del duraznero (Myzus persicae) que brindan resistencia a piretroides y DDT, los cuales comparten su modo de acción (Bass et al., 2014). Sin embargo, la adquisición de resistencia metabólica puede incluir a ingredientes activos con diferentes modos de acción. Por ejemplo, el incremento en la actividad de EST E4 y FE4 en el pulgón verde del duraznero (M. persicae), le brindan resistencia a organofosforados, mono-metil carbamatos y en menor grado piretroides, los cuales no comparten su modo de acción (Bass et al., 2014).

2.3.2. Resistencia múltiple

Se produce cuando una población sometida a la presión de selección con un insecticida, se hace resistente a varios insecticidas, aunque no hayan sido aplicados y no importando su grupo químico o modo de acción, ya que presentan al mismo tiempo varios mecanismos de resistencia. Por ejemplo, existen algunos linajes asexuales del pulgón verde del duraznero (M. persicae) que al mismo tiempo pueden ser resistentes a varios grupos de insecticidas, ya que presentan las mutaciones kdr (piretroides), MACE (dimetil carbamatos) y niveles de actividad R2 o R3 de EST E4 (organofosforados, monometilcarbamatos y piretroides) (Devonshire et al., 1998; Bass et al., 2014).

2.4. Bases genéticas de la resistencia

La resistencia a insecticidas debe ser heredable y por lo tanto debe estar basada sobre variabilidad genética aditiva. Esta variabilidad genética aditiva puede ser resultado de uno o muchos genes (Roush y McKenzie, 1987; McKenzie, 2001). La resistencia que se presenta en condiciones de campo, generalmente en poblaciones de la plaga con grandes tamaños poblacionales que permiten que alelos raros de baja frecuencia se encuentren presentes, es producto de aplicaciones de insecticidas en dosis altas y heterogéneas, que seleccionan en los individuos resistentes un único gen con efectos mayores en pocas generaciones (ffrench-Constant et al., 2004). Por el contrario, en condiciones de laboratorio, con poblaciones más pequeñas y genéticamente menos variables, para poder mantener individuos que sobreviven a las aplicaciones, se usan dosis de insecticidas más bajas y homogéneas, las que seleccionan gradualmente en muchas generaciones varios genes con efectos parciales o menores, los que producen resistencia de tipo poligénica (ffrench-Constant et al., 2004). Existe debate acerca de la importancia relativa de estas dos formas de selección de resistencia a insecticidas (Groeters y Tabashnik, 2000), aunque las evidencias más recientes desde la genómica tienden a mostrar que incluso la resistencia metabólica se basa sobre cambios en solo un gen del conjunto de genes que existen para cada grupo de enzimas detoxificadoras (ffrench-Constant, 2013).

La dominancia de la expresión fenotípica de la resistencia se evalúa como la resistencia de los genotipos heterocigotos en comparación con los homocigotos resistentes y susceptibles. La dominancia depende de la dosis de insecticida utilizado, así por ejemplo, si se usan dosis bajas, mueren solamente los homocigotos susceptibles y la resistencia es por lo tanto de tipo dominante (heterocigotos sobreviven), mientras que si se usan dosis más altas mueren los homocigotos susceptibles y los heterocigotos, siendo la resistencia de tipo recesivo al sobrevivir solamente los homocigotos resistentes (Roush y McKenzie, 1987; McKenzie, 2001). La dominancia de los genotipos puede ser evaluada comparando las dosis letales que alcanzan una mortalidad determinada, o bien, comparando las mortalidades que se alcanzan con una dosis determinada (Bourguet et al., 2000). También se puede estimar la dominancia comparando la adecuación biológica frente a una dosis de insecticida determinada. Sin embargo, no necesariamente hay una correlación entre dominancia estimada por la mortalidad y la adecuación biológica frente a una dosis determinada, ya que los heterocigotos que sobreviven a la aplicación pueden reproducirse de igual forma o en menor medida que los homocigotos resistentes, contribuyendo diferencialmente a la siguiente generación (Bourguet et al., 2000). En la mayoría de los casos la resistencia a insecticidas es de tipo parcialmente dominante (McKenzie, 2001), lo que tiene importantes consecuencias en las estrategias de mitigación de resistencia (Onstad y Guse, 2008).

La resistencia múltiple, en la cual se presentan varios mecanismos de resistencia en el mismo individuo, puede presentar interacciones entre los genes responsables de estos mecanismos. Por ejemplo, puede existir un desequilibrio de ligamiento entre los genes de estos mecanismos de resistencia. Esto indica que los genes están dentro del mismo grupo de ligamiento (cercanos dentro del mismo cromosoma) o bien son seleccionados en conjunto sobre linajes asexuales como en los pulgones plaga (Figueroa et al., 2018), por lo tanto no recombinan y se asocian en forma no aleatoria. Dependiendo del número de cromosomas y formas de reproducción de las especies de plaga, así como de las presiones de selección de los insecticidas, estas interacciones pueden acelerar o retrasar el desarrollo de resistencia a insecticidas (Onstad y Guse, 2008).

Similarmente, existen factores epigenéticos que pueden regular la expresión de genes de resistencia (Oppold y Müller, 2017). Un ejemplo es la metilación de las EST en el pulgón verde del duraznero (M. persicae), la cual permite que linajes asexuales resistentes a insecticidas reviertan su condición a susceptibles (Field y Blackman, 2003).

Los individuos resistentes presentan una mayor adecuación biológica en un ambiente con selección de los insecticidas, pero en general se postula también que los individuos resistentes presentan una menor adecuación biológica en ambientes en que no está presente esta presión de selección. Esto implica que la adquisición de resistencia conlleva costos de adecuación biológica en ambientes donde este carácter no es ventajoso, debido a que los cambios en las proteínas que son blanco o detoxifican a los insecticidas, producen efectos pleiotrópicos negativos en otros caracteres que afectan la adecuación biológica (McKenzie, 2001; Kliot y Ghanim, 2002; Bourguet et al., 2004). Sin embargo, varios análisis han encontrado que existe variabilidad dependiendo del tipo de resistencia y condiciones ambientales, que hacen que la evidencia disponible no siempre sustente esta hipótesis (Roush y McKenzie, 1987; Coustau et al., 2000; ffrench-Constant y Bas, 2017). Uno de los casos más estudiados corresponde al pulgón verde del duraznero (M. persicae), donde se presentan linajes asexuales con resistencia cruzada o múltiple a diferentes insecticidas que los hace predominantes en cultivos con frecuentes aplicaciones de estos productos. Sin embargo, en cultivos u hospederos silvestres (malezas) sin aplicación de insecticidas, su frecuencia disminuye rápidamente (Foster et al., 2000, 2002). Se ha demostrado que estos linajes asexuales del pulgón verde del duraznero (M. persicae) resistentes a insecticidas presentan menor capacidad de tolerar bajas temperaturas (Foster et al., 1996, 1997), de defenderse de sus enemigos naturales mediante liberación o respuesta frente a su feromona de alarma (Foster et al., 1999, 2003, 2005, 2007), o menores tasas de incremento poblacional (Foster et al., 2003; Fenton et al., 2010). No obstante, en otros estudios no se han detectado costos en términos metabólicos o reproductivos (Castañeda et al., 2011). Justamente, la existencia de costos en adecuación biológica de la resistencia a insecticidas es la clave que permite que disminuya su frecuencia al relajarse la presión de selección de los insecticidas. Por el contrario, algunas formas de resistencia a insecticidas que tienen bajos costos en términos de adecuación biológica, pueden permanecer en las poblaciones de plagas una vez relajada la presión de selección. Este es otro aspecto clave de las estrategias de mitigación del desarrollo de resistencia a insecticidas (Roush y McKenzie, 1987; McKenzie, 2001; Onstad y Guse, 2008).

Los costos asociados al desarrollo de la resistencia a insecticidas no necesariamente se mantienen en el tiempo, debido a que si se mantiene la presión de selección a través de muchas generaciones, pueden aparecen nuevas adaptaciones modificadoras que disminuyan los efectos negativos de la resistencia a insecticidas e incluso permitan que se fije el carácter de resistencia en la población de la plaga. Sin embargo, este fenómeno de coadaptación se ha descrito en muy pocos casos estudiados (McKenzie, 2001; ffrench-Constant y Bass, 2017).

3. GENÉTICA DE POBLACIONES Y ESTRATEGIAS DE MITIGACIÓN DE LA RESISTENCIA

Los factores que afectan el desarrollo de resistencia en las poblaciones de plagas están relacionados con procesos que regulan la frecuencia de los genes en las poblaciones y por lo tanto, deben ser comprendidos en esta escala de análisis en la organización biológica. Las tasas de evolución de la resistencia a insecticidas, es decir el cambio a través del tiempo de la frecuencia de los alelos que confieren resistencia, es producto de la interacción compleja entre los procesos de mutación, selección, flujo génico y deriva genética. En ausencia de la presión de selección ejercida por los insecticidas, los procesos de mutación y deriva genética son los determinantes de la frecuencia génica de los alelos que pueden conferir resistencia a un nuevo insecticida. Por el contrario, una vez que se utiliza ampliamente el insecticida, los procesos de selección y flujo génico determinan principalmente la tasa de evolución de resistencia frente a los insecticidas (Roush y Daly, 1990; Onstad y Guse, 2008).

Los modelos matemáticos desarrollados para estudiar la tasa de evolución de la resistencia a insecticidas indican que en general: i) la tasa de evolución aumenta con la intensidad de la selección, ii) la tasa de evolución aumenta con la dominancia de la resistencia, iii) la tasa de evolución disminuye con sus costos en adecuación biológica, iv) la tasa de evolución aumenta con la frecuencia inicial de alelos resistentes, y v) la tasa de evolución disminuye con el flujo génico de alelos susceptibles. Los efectos de la tasa de mutación, deriva génica, desequilibrio de ligamiento y epistasis sobre la tasa de evolución de resistencia son variables (Roush y Mckenzie, 1987; Roush y Daly, 1990; Onstad y Guse, 2008). Como resultado de estas conclusiones generales se han desarrollado estrategias para la mitigación del desarrollo de resistencia que se detallan a continuación (Roush y Daly, 1990; Tabashnik 1990; Hoy, 1998).

3.1. Aplicación secuencial de insecticidas con diferente modalidad de acción (rotación)

Esta estrategia predice que la frecuencia de individuos resistentes a un insecticida A declina durante la aplicación posterior de un segundo insecticida B. Supone que existen costos en adecuación biológica asociados a la resistencia, o inmigración de susceptibles desde las áreas vecinas. Esta es la estrategia más recomendada para mitigar el desarrollo de resistencia de plagas agrícolas frente a insecticidas convencionales.

3.2. Aplicación de insecticidas con diferente modalidad de acción en mosaicos espaciales (refugios)

Esta estrategia predice que la frecuencia de individuos resistentes a un insecticida A declina, si en los campos vecinos se aplica simultáneamente un segundo insecticida B. También supone que existen costos en adecuación biológica asociados a la resistencia, así como que existe inmigración de susceptibles desde las áreas tratadas vecinas. Esta es la estrategia más recomendada para mitigar el desarrollo de resistencia de plagas agrícolas frente a plantas transgénicas con toxinas de Bacillus thuringiensis var. kurstaki.

3.3. Aplicación de mezclas de insecticidas con distinta modalidad de acción (cóctel)

Esta estrategia predice que la frecuencia de individuos resistentes a un insecticida A declina, si se aplica mezclado con un segundo insecticida B. En este caso los supuestos incluyen: i) resistencia monogénica, ii) ausencia de resistencia cruzada, iii) baja frecuencia inicial de individuos resistentes, iv) similar persistencia de los insecticidas A y B, y v) resistencia funcionalmente recesiva (solo los homocigotos recesivos son resistentes).

3.4. Aplicación de insecticidas en dosis crecientes (sobredosis)

Esta estrategia predice que la frecuencia de individuos resistentes a un insecticida A declina, si se aplica el mismo insecticida A en una dosis mayor capaz de matar hasta los individuos resistentes. Esta estrategia en general no se recomienda, ya que produce incrementos crecientes en el costo económico y ambiental de la utilización de los insecticidas.

4. ÓMICAS DE LA RESISTENCIA A INSECTICIDAS

El advenimiento de los estudios genómicos, transcriptómicos y proteómicos está comenzando a permitir el análisis detallado y simultáneo de grandes grupos de genes, transcritos y proteínas que interactúan para expresar mecanismos de resistencia a los insecticidas en algunas especies de plagas (Homem y Davies, 2018). Hasta hace pocos años la resistencia a insecticidas que predominantemente se estudiaba desde el punto de vista de la biología molecular, tenía una base monogénica analizable con las herramientas disponibles, basadas sobre genes ya conocidos (kdr, MACE, etc.), mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), usando partidores heterólogos (desarrollados para especies diferentes) o genética reversa mediante la enzima transcriptasa reversa (Oakeshott et al., 2003; ffrench-Constant et al., 2004). Desde que las técnicas de secuenciación permitieron conocer el genoma de los primeros insectos modelo (como por ejemplo Drosophila melanogaster), hasta la capacidad de secuenciar genomas completos en tiempos y presupuestos alcanzables, las posibilidades de investigar los mecanismos de resistencia con esta aproximación están disponibles en bases de datos públicas para cada vez más especies de insectos plaga (Yin et al., 2016). Por ejemplo, la resistencia por incremento de actividad de enzimas detoxificadoras, producto de vías metabólicas compuestas por decenas de genes, ahora puede ser analizada con estas herramientas. Las familias de genes EST, GST y P450 se encuentran completamente catalogadas para varias especies, lo que ha permitido estudios de genómica comparada o el desarrollo de placas con microarreglos para estudiar sus niveles de transcripción (Oakeshott et al., 2003; ffrench-Constant et al., 2004). Similarmente, la capacidad de analizar secuencias en regiones que flanquean a mutaciones que brindan resistencia a insecticidas, permite establecer si estas mutaciones tienen un único origen seguido por dispersión o bien, múltiples orígenes en diferentes poblaciones (ffrench-Constant et al., 2004). Más recientemente, la utilización de técnicas que permiten controlar la expresión de genes y editar cambios en sus secuencias en especies de insectos modelo, permite predecir que su aplicabilidad para evaluar manipulativamente los mecanismos de la resistencia a insecticidas en insectos plaga tiene un gran potencial (Pittendrigh et al., 2008; Homem y Davies, 2018). En particular, la edición génica utilizando CRISPR/ Cas 9 se está convirtiendo en una herramienta clave para manipular mutaciones en genes candidatos y demostrar experimentalmente su rol funcional en la resistencia a insecticidas (Samantsidis et al., 2020; Homem et al., 2020).

5. SIMBIONTES Y RESISTENCIA A INSECTICIDAS

Diversos aspectos del éxito ecológico de los insectos plaga se han asociado a la presencia de microorganismos simbiontes (Douglas, 2015). También podría ser el caso de la resistencia a insecticidas, donde se han reportado algunos casos de plagas que presentan resistencia a insecticidas en asociación con cambios en la composición de especies en sus comunidades de microorganismos simbiontes (Pietri y Liang, 2018). En otros pocos casos, se ha demostrado que las capacidades de detoxificación que presentan los simbiontes intestinales entregan resistencia a algunos insecticidas (Kikuchi et al., 2012; Cheng et al., 2017). Estas asociaciones entre simbiontes y plagas tienden a ser variables, con su funcionalidad dependiente del contexto ambiental, por lo que su potencial relevancia en términos prácticos para el desarrollo de la resistencia a insecticidas está por evaluarse (Liu y Guo, 2019).

6. ESTATUS DE LA RESISTENCIA A INSECTICIDAS EN PLAGAS AGRÍCOLAS DE CHILE

La demanda global de alimentos ha convertido a Chile en uno de los principales exportadores de estos productos en el hemisferio sur. Este objetivo se ha alcanzado mediante la producción agrícola intensiva, la cual requiere un estricto control de las plagas principalmente mediante la aplicación de insecticidas. En este escenario, los estudios sobre el desarrollo de resistencia a insecticidas de las plagas de la agricultura en Chile, son pocos y frecuentemente alcanzan un nivel descriptivo inicial. Estos estudios han sido revisados por Silva (2003) y Araya et al., (2009), con pocas nuevas especies de plagas que puedan ser agregadas. Por otra parte, para algunas pocas plagas se ha podido estudiar en mayor profundidad este fenómeno, considerando sus mecanismos y consecuencias a nivel poblacional. En las siguientes secciones se detallarán los avances realizados en Chile para el pulgón verde del duraznero (M. persicae) y la polilla de la manzana (Cydia pomonella), ambas especies de plagas estudiadas globalmente y para las cuales se han desarrollado diversos métodos de análisis, desde los genes hasta las poblaciones, los que han sido aplicados para su estudio en nuestro país.

6.1. El pulgón verde del duraznero en Chile

El pulgón verde del duraznero (Myzus persicae), es una especie de áfido muy polífaga y que produce severas pérdidas económicas en variados cultivos agrícolas. Varios estudios han determinado que desarrolla resistencia a insecticidas mediante diversos mecanismos moleculares (Bass et al., 2014), por lo que en las últimas décadas se han aplicado las metodologías disponibles para establecer sus niveles y mecanismos de resistencia a insecticidas en distintos cultivos en Chile. Los primeros avances fueron realizados con la subespecie especializada en tabaco (M. persicae nicotianae), la cual fue detectada en Chile a fines de los años noventa. Los análisis realizados indicaron que se estaba en presencia de un solo linaje asexual, que contaba con niveles bajos a intermedios de resistencia a organofosforados asociado a incrementos de actividad de EST, así como sin otros mecanismos de resistencia como kdr o MACE (Fuentes-Contreras et al., 2004; Cabrera-Brandt et al., 2010). En este momento tampoco se presentaban niveles de resistencia a insecticidas neonicotinoides (Fuentes-Contreras et al., 2007a). La utilización de marcadores moleculares microsatélites permitió hacer un seguimiento de las posibles rutas de invasión de este linaje asexual a Sudamérica (Zepeda-Paulo et al., 2010). Al ampliar los estudios a poblaciones del pulgón verde del duraznero en otros cultivos, se detectaron niveles altos de resistencia al dimetil carbamato pirimicarb, asociado a la mutación MACE, mientras la frecuencia de la mutación kdr y súper kdr y la actividad de EST fue relativamente baja (Fuentes-Contreras et al., 2013). La presencia de mutaciones MACE, kdr y súper kdr no estuvo asociada a costos en adecuación biológica expresada como reproducción o tasa metabólica (Castañeda et al., 2011). Estudios más recientes han encontrado mayores frecuencias de mutaciones MACE, kdr y súper kdr en poblaciones de huertos de duraznero, cultivos de pimentón y sus malezas asociadas (Rubiano-Rodríguez et al., 2014, 2019; Rubio-Meléndez et al., 2018). Finalmente, en relación con la resistencia a insecticidas también se han desarrollado algunos estudios transcriptómicos con el pulgón verde del duraznero en Chile (Figueroa et al., 2007; Silva et al., 2012a, 2012b).

6.2. La polilla de la manzana en Chile

La polilla de la manzana (Cydia pomonella) es la plaga clave del cultivo de los frutales pomáceos en Chile y en el mundo. Esta plaga se controla mediante el uso de feromonas sexuales (capítulo 3 en este volumen) y frecuentemente mediante la aplicación de insecticidas. Desde inicios del siglo pasado esta plaga ha desarrollado resistencia a casi todos los grupos de insecticidas disponibles para su control (Reyes et al., 2009). Los estudios en Chile comienzan con la detección de actividad elevada de GST y P450 en poblaciones que presentaban resistencia a organofosforados y diacilhidrazinas (Reyes et al., 2004). Estos resultados luego fueron ampliados, confirmando resistencia a organofosforados, medida por incrementos de actividad GST (Fuentes-Contreras et al., 2007b), así como una baja prevalencia de mutación kdr y ausencia de MACE (Reyes et al., 2009). Los estudios más recientes indican que se mantiene la resistencia a organofosforados asociado a enzimas detoxificadoras (Reyes et al., 2015). Los niveles de resistencia a insecticidas encontrados en la polilla de la manzana en Chile, son en general más bajos a los observados en otras regiones productoras de pomáceas (Reyes et al., 2009), a pesar de que el uso de insecticidas para su control es predominante. Estudios de genética de poblaciones (Espinoza et al., 2007; Fuentes-Contreras et al., 2008) indican que existe un alto flujo génico entre las poblaciones de esta plaga de Chile central, el cual se expresa también a la escala de cada huerto con su entorno sin manejo (Basoalto et al., 2010; Fuentes-Contreras et al., 2014). La continua inmigración de polillas mayoritariamente susceptibles a insecticidas, desde los entornos sin manejo hacia los huertos de pomáceas de exportación con frecuentes aplicaciones de insecticidas, sería la causa de la mantención de poblaciones con bajos niveles de resistencia a insecticidas en Chile central.