Resistencia genética del tomate a plagas basadas en tricomas glandulares

Los métodos de control de plagas, aunque en los últimos años han evolucionado de forma muy satisfactoria por su eficacia y respeto a la salud humana y ambiental en el caso de los plaguicidas de ‘residuo cero’ y del control biológico mediante parásitos y depredadores, en ocasiones no están disponibles para todas las plagas y en todos los posibles ambientes de cultivo.

De forma similar a lo que ocurre con otros problemas fitopatológicos de esta planta hortícola, como son las enfermedades causadas por virus, bacterias y hongos, para los que el tomate cuenta con una batería impresionante de genes de resistencia, en su inmensa mayoría encontrados e introducidos en la especie cultivada (Solanum lycopersicum) desde algunas de las especies silvestres afines al tomate, muchos ha sido los intentos de mejora genética frente a plagas a partir de las especies silvestres de tomate. Ello se basa en que algunas de estas especies poseen tipos especiales de pelos (tricomas) glandulares que recubren tallos, hojas e incluso frutos, tricomas que secretan productos del metabolismo secundario de la planta con propiedades insecticidas y acaricidas o repelentes de las organismos-plaga. En este artículo vamos a revisar nuestras investigaciones sobre resistencia genética a algunos de los artrópodos causantes de plagas de importancia en España en el tomate.

La planta de tomate cultivado, de cualquier modo, no es, de entre las hortícolas, de las más susceptibles a la infestación por plagas si se compara con otras como, por ejemplo, la judía o el pepino. Esto se debe a que sus tallos y hojas están cubiertos de tricomas, algunos de ellos glandulares que, ya sea por atrapamiento del insecto o ácaro, o por efecto de la repelencia causada por los compuestos que secretan, defienden a la planta. Es por ello que las plagas de mayor incidencia en el cultivo del tomate son especies de artrópodos o bien muy especializadas en el grupo taxonómico del tomate (caso de la polilla Tuta absoluta) o bien especies muy generalistas de amplia distribución y gran capacidad adaptativa (la araña roja Tetranychus urticae o la mosca blanca Bemisia tabaci). No obstante, el nivel de protección conferido por los tricomas que posee el tomate doméstico es claramente insuficiente para llevar un cultivo sin problemas en multitud de ocasiones.

Los tipos de tricomas de las plantas de tomate y de las especies silvestres más directamente emparentadas (el taxon Lycopersicon dentro del género Solanum) fueron descritos por Luckwill en 1943 (Figura 1) y se pueden consultar en Channarayappa et al. (1992). Simplificando, las hojas del tomate cultivado poseen, por orden de abundancia, un tipo de tricoma muy pequeño, no glandular, denominado de tipo V; un tipo glandular, también pequeño, denominado de tipo VI que termina en cuatro células secretoras; y un tipo I más largo y glandular que posee en el ápice una única célula secretora. Algunas de las especies silvestres de Lycopersicon tienen, además, un gran número de pelos de tipo IV, tricoma glandular con una única célula secretora muy parecido al de tipo I pero corto como los de tipo V. La mayor resistencia a plagas de algunas de las especies silvestres de tomate se basa precisamente en la ocurrencia de tricomas de tipo IV, aunque también en algún caso por la química especial de sus tricomas de tipo VI. Existe además un tipo de tricoma glandular, aún más corto y menos densamente distribuido, el tipo VII, mucho menos estudiado y al parecer implicado en defensa mediante el envío de señales de aviso por medio de compuestos terpenoides de estar sufriendo infestación por alguna plaga a hojas y plantas vecinas, y para atraer a enemigos naturales de las plagas.

La especie de Solanum secc. Lycopersicon más estudiada por su altísimo nivel de resistencia a un buen número de especies de insectos y ácaros es S. habrochaites (ant. Lycopersicon hirsutum). Posee gran cantidad de tricomas glandulares muy pegajosos y productores de una gran variedad de aleloquímicos, entre los que destacan las metilcetonas (por ejemplo, la 2-undecanona y la 2-tridecanona, compuestos tanto repelentes como tóxicos por ingestión) producidas por los tricomas de tipo VI de S. habrochaites f. glabratum. En cambio, la forma botánica ‘típica’ de esta especie, S. habrochaites f. hirsutum, basa su resistencia más bien en los sesquiterpenos (por ejemplo, el zingibereno, también repelente y tóxico) secretados por los tricomas de tipo IV. Otra especie silvestre bien conocida por su resistencia a insectos es S. pennellii, cuyos abundantes y relativamente grandes tricomas de tipo IV producen los muy pegajosos y repelentes acilazúcares, más frecuentemente acilglucosas, aunque también acilsacarosas o mezclas de ambas. El principal problema para el aprovechamiento mediante mejora genética de estas características es el relativo alejamiento filogenético de estas especies con el tomate. Son especies que presentan una morfología general y de fruto en particular bastante diferente a la de la especie cultivada, con frutos de color verde en madurez y cubiertos de pelos (Figura 2), y cuya lejanía implica que el control de los caracteres de interés se determina por complejas rutas metabólicas y genes que no están presentes en S. lycopersicum, lo que causa que su herencia a efectos de introgresión de genes sea muy compleja. Así, en el proceso de mejora es prácticamente imposible eliminar un gran número de caracteres indeseables o de escaso valor agronómico provenientes de dichas especies a causa del efecto de carga de ligamiento. Es lo que ocurrió en el caso del programa de mejora de Cornell University de resistencia a insectos a partir de la entrada LA0716 de S. pennellii, en el que se obtuvieron líneas productoras de acilazúcares pero de nulo valor comercial y en cuyo control genético están implicados al menos cinco regiones genómicas diferentes (Leckie et al., 2012), o esfuerzos similares para transferir la maquinaria química y celular de producción del sesquiterpeno ác. 2-3-dihidrofarnesoico desde S. habrochaites LA1363 (Snyder el al., 2005).

Figura 2. Fruto maduro de dos de las especies de tomate silvestres resistentes a plagas: Solanum habrochaites (izq.) y S. pennellii (dcha.), densamente cubiertos de pelos glandulares.

Por ello, cuando evaluando entradas silvestres del banco de germoplasma de tomate de nuestro Instituto observamos que las plantas de una accesión de S. pimpinellifolium eran prácticamente inmunes al ataque de una devastadora plaga de araña roja, estudiamos sus características puesto que esta especie es el pariente silvestre más próximo a S. lycopersicum y podría presentar claras ventajas como donante de resistencia genética a plagas. Descubrimos que, a diferencia de los tomates cultivados, la entrada TO-937 de dicha especie no presentaba tricomas no glandulares de tipo V y en su lugar las hojas y tallos estaban cubiertos por tricomas glandulares de tipo IV (Figura 3) (Fernández-Muñoz et al., 2003). En estos tricomas, al igual que en S. pennellii, se producen acilazúcares, concretamente acilsacarosas (Alba et al., 2009). Más recientemente se ha encontrado que en entradas de otra especie silvestre (S. galapagense), que al igual que S. pimpinellifolium produce frutos rojos o anaranjados en madurez, también se encuentran tricomas de tipo IV productores de acilsacarosas (Firdaus et al., 2013).

Figura 3. La entrada resistente a araña roja TO-937 de la especie silvestre de frutos rojos Solanum pimpinellifolium tiene tricomas glandulares de tipo IV productores de acilsacarosas, que poseen propiedades insecticidas y acaricidas.

Las plantas de TO-937 son muy resistentes a los ataques de la araña roja T. urticae incluso aunque estén en contacto con plantas susceptibles altamente infestadas (Figura 4). Nuestros estudios de mecanismos de resistencia indicaron que las acilsacarosas producidas por los tricomas de tipo IV resultan letales por atrapamiento de los adultos, reducen la ovoposición y el desarrollo de las ninfas y además previenen la infestación al ser altamente repelentes. El estudio genético individualizado de estos caracteres mediante la generación de una población de líneas puras recombinantes consanguíneas (RIL) a partir del cruce de TO-937 con la variedad de tomate doméstico susceptible a plagas ‘Moneymaker’ sugiere que los diferentes mecanismos de resistencia tienen un componente hereditario común (formación del tricoma de tipo IV productor de acilazúcares) pero al menos cierto control genético independiente para cada carácter relacionado con la resistencia, debido a las características específicas de los distintos tipos de acilsacarosas que se producen, más o menos pegajosas, más o menos repelentes (Alba, 2006; Rodríguez-López, 2013). Pero lo realmente relevante en cuanto a las posibilidades para la mejora genética de la especie es que, mediante la construcción de un mapa genético en la población RIL, se constató que el carácter de resistencia a araña roja se basa fundamentalmente en solo dos regiones genómicas que contienen sendos QTLs y, además con cierto grado de ligamiento genético en el cromosoma 2 (Salinas et al., 2013). Ello implica que es una herencia relativamente sencilla y en teoría fácilmente transferible a materiales comerciales.

Figura 4. Planta de S. pimpinellifolium TO-937 (dcha.) libre de infestación a pesar de estar en contacto con una planta de tomate cultivado altamente atacada por la araña roja.

Ensayamos la respuesta de la entrada TO-937 y materiales mejorados a partir de ella a otros ácaros plaga del tomate, como son T. evansi y Aculops lycopersici. Las arañas rojas del género Tetranychus son fácilmente controlables en otras especies vegetales mediante la suelta de depredadores, especialmente ácaros fitoseidos como Phytoseiulus persimilis, pero en tomate estos enemigos naturales tienen ciertas limitaciones precisamente debido a los propios tricomas de tipo VI de la especie, limitaciones que además son aún más notorias para el caso del tetraníquido T. evansi, especialista en plantas solanáceas, y que es muy difícil de controlar por su alta capacidad de crecimiento poblacional y por ser un alimento que no favorece el desarrollo y la reproducción de los fitoseidos (Escudero et al., 2005). Nuestros resultados indicaron que la resistencia de la planta a T. evansi basada en los tricomas de TO-937 es similar a la observada para T. urticae. En cambio, TO-937 presenta una resistencia únicamente moderada, y muy probablemente insuficiente para la mejora, al ácaro eriófido A. lycopersici, seguramente debido a que, por su mucho menor tamaño, este ácaro es capaz de vivir en hojas y tallos evitando el contacto con las glándulas apicales de los tricomas de tipo IV.

Probablemente el aleuródido B. tabaci (Figura 5) sea el principal limitante del cultivo del tomate, no tanto por los daños directos que causa al alimentarse sobre las hojas (pérdida de fotoasimilados, proliferación de negrillas a causa de la melaza que produce) y los frutos en desarrollo (síndrome de la maduración irregular) sino porque es vector de un buen número de enfermedades virales, entre las que se encuentran la enfermedad del rizado amarillo de la hoja del tomate (producida por Begomovirus como el TYLCV) o el amarilleo del tomate (producida por el Crinivirus ToCV). Para el control genético de estas enfermedades, en el mercado de semillas únicamente existen materiales comerciales con genes de resistencia parcial a TYLCV, lo que resulta insuficiente cuando los niveles poblacionales de mosca blanca son elevados.

Figura 5. La mosca blanca Bemisia tabaci es probablemente la plaga más importante en el cultivo del tomate al ser vector de enfermedades virales como la causada por el begomovirus TYLCV.

La entrada S. pimpinellifolium TO-937 muestra un aceptable nivel de resistencia a la mosca blanca: reduce considerablemente la visita de adultos, disminuye tanto la ovoposición como la eclosión de los huevos y, sobre todo, prácticamente impide el desarrollo larvario de este insecto (Alba, 2006). Además, el control genético de los caracteres asociados a su resistencia se basa a lo sumo en 2-3 QTLs (Rodríguez-López, 2013). Mediante selección recurrente conseguimos desarrollar líneas avanzadas de mejora productoras de acilsacarosas. Desde el punto de vista entomológico, estos caracteres bastarían para asegurar que en un cultivo, por ejemplo en invernadero con buenos cerramientos, no se diese proliferación de la población del insecto, pero en el caso de B. tabaci esto a priori no era suficiente porque incluso la entrada eventual de individuos virulíferos, al constatarse que los tricomas no evitaban completamente la visita de adultos a las plantas, podría ocasionar transmisiones de virus. Estudiamos las líneas avanzadas provenientes de TO-937 y encontramos que, a pesar de estas visitas, y debido a las acilsacarosas secretadas por las plantas, los individuos de mosca blanca mostraban dificultades para alimentarse en el floema de sus hojas, lo que reducía considerablemente la transmisión de TYLCV (Rodríguez-López et al., 2011, 2012). El punto negativo era que observamos que en estos genotipos avanzados el carácter se manifiesta sólo parcialmente en el estadio de plántula y, por ello, en los últimos años hemos estado investigando si la aplicación a plantas jóvenes de hormonas conocidas como inductoras de las rutas de defensa de las plantas (como el ácido jasmónico) son capaces de inducir la expresión temprana de la producción de acilsacarosas, con resultados muy prometedores para la posible protección precoz frente a la transmisión del virus (Escobar-Bravo, 2013).

Este microlepidóptero es de origen sudamericano y se introdujo en España en 2006 (Urbaneja et al., 2007) y de aquí se extendió rápidamente por toda la cuenca mediterránea. Al alimentarse las larvas del mesófilo de las hojas y de los frutos en desarrollo, causa severos daños de defoliación y depreciación de la cosecha (Figura 6, arriba). Afortunadamente, hoy día es posible su control efectivo con la combinación alternada de insecticidas (por ejemplo, Bt y Spinosad) y, además, funciona muy bien el control biológico con depredadores como Nesidiocoris tenuis o el parasitoide Trichogramma achaeae. No obstante, además del coste económico de los tratamientos, en cultivos al aire libre estos pueden ser insuficientes. En cuanto a resistencia genética, se había descrito cierto grado de resistencia en Solanum habrochaites f. glabratum (Leite et al., 1999) y S. pennellii (Resende et al., 2006). Incluso antes de su introducción en España, estudiamos la posible resistencia de TO-937 (y materiales derivados) en condiciones naturales de infestación en Brasil: en la entrada de S. pimpinellifolium los daños de la plaga fueron menores que en los testigos susceptibles (Figura 6, abajo), sobre todo en las partes apicales, más jóvenes, de las plantas; sin embargo, tanto en las hojas basales de este genotipo como en todas las partes de las plantas de las líneas avanzadas de retrocruzamiento no se manifestó resistencia alguna a la polilla (Escobar-Bravo et al., 2010). Tras la introducción de la plaga en España, utilizamos la población RIL y su mapa de ligamiento para el estudio genético de la resistencia y localización de QTLs, en condiciones controladas, encontrando que la resistencia está mediada por al menos 4 regiones genómicas (Escobar-Bravo, 2013), sólo dos de las cuales colocalizan con QTLs conocidos relacionados con tricomas glandulares y producción de acilsacarosas. Es muy interesante que algunas líneas RIL presentaban incluso mayor grado de resistencia que el parental silvestre, con pocos daños en hojas medio-basales y basales, por lo que iniciamos un programa de mejora genética ayudada por marcadores moleculares (Zagrouba, 2012) con el que estamos introduciendo los 4 QTLs implicados en la resistencia en líneas avanzadas de retrocruzamiento que se requieren para conseguir alto grado de resistencia a la polilla.

Figura 6. Daños típicos en hojas y frutos de tomate causados por las larvas del microlepidóptero Tuta absoluta (arriba). Las plantas de S. pimpinellifolium TO-937 presentan menores daños que las de una variedad de tomate cultivado como ‘Moneymaker’ (abajo).

En conclusión, no existen actualmente variedades comerciales de tomate con un nivel suficiente de resistencia genética a plagas de artrópodos pero, mediante la introgresión desde especies silvestres afines de genes que codifican para caracteres de defensa tales como los tricomas glandulares y los aleloquímicos que secretan, en un futuro más o menos próximo será posible contar con genotipos que, aunque no totalmente inmunes a las plagas, puedan servir con mayor eficacia en el control integrado de plagas y enfermedades.

Agradecimientos

Las investigaciones presentadas en este artículo han sido financiadas por los proyectos del MEC (AGL2004-06985-C02/AGR y AGL2007-66760-C02/AGR), MICINN (AGL2010-22287-C02-01/AGR), MINECO (Proyecto Andalucía RECUPERA2020 - 3.1.2 y AGL2013-48913-C2-1-R) y de la Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa, Junta de Andalucía (AGR1771).

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