Inducción de defensas en tomate: una nueva herramienta sostenible de gestión de plagas y enfermedades

Para minimizar el ataque de fitófagos plaga, las plantas poseen distintos tipos de mecanismos de defensa. Estas defensas pueden estar siempre presentes en la planta (constitutivas) o pueden activarse únicamente cuando una planta es atacada por un fitófago (inducibles). En trabajos previos hemos demostrado que varias especies de depredadores zoofitófagos utilizados en estrategias de control biológico de plagas también son capaces de inducir defensas en tomate, que incluyen la liberación de volátiles conocidos como HIPV’s (volátiles vegetales inducidos por herbivoría, del inglés Herbivore Induced Plant Volatitles). Las plantas utilizan algunos de estos volátiles para comunicarse entre ellas. De hecho, determinados volátiles que emite una planta cuando es atacada por un fitófago, pueden ser reconocidos por una planta sana vecina como una señal de alerta. La detección de estos volátiles de alerta en plantas sanas puede desencadenar la inducción de mecanismos de defensa en previsión del inminente ataque. En el IVIA hemos seleccionado algunos de los volátiles que las plantas reconocen como señal de alerta y a partir de ellos hemos desarrollado un novedoso sistema de gestión de plagas y enfermedades basado en la comunicación entre plantas. En este trabajo, resumimos algunos de los últimos avances en este campo para el cultivo del tomate.

Las organizaciones públicas y privadas, la comunidad científica y la sociedad en general llevan mucho tiempo exigiendo prácticas agrícolas sostenibles que garanticen la seguridad alimentaria de una población mundial en crecimiento que no comprometa la biodiversidad y el medio ambiente. Sin embargo, la realidad es que la mayoría de los programas de gestión de plagas aún dependen del uso de plaguicidas de origen sintético (van Lenteren et al. 2018; Calvo-Agudo et al. 2020).

Durante los últimos 20 años, la gestión de plagas del tomate en Europa ha experimentado un cambio radical (Pérez-Hedo et al. 2017; Arnó et al. 2018; van Lenteren et al. 2020). La gestión de plagas ha cambiado de una práctica dominada por el uso de insecticidas a una gestión integrada de plagas basada en el uso de agentes de control biológico. El uso de míridos depredadores, principalmente las dos especies Nesidiocoris tenuis Reuter y Macrolophus pygmaeus Rambur (Hemiptera: Miridae), como agentes de control biológico se ha generalizado. Los míridos son depredadores generalistas que puede alimentarse de una amplia gama de presas; incluyendo las plagas clave del tomate como son la mosca blanca, Bemisia tabaci (Gennadius) (Hemiptera: Aleyrodidae) y el microlepidóptero, Tuta absoluta (Meyrick) (Lepidoptera: Gelechiidae) (Arnó et al. 2010; van Lenteren et al. 2021). El éxito en Europa ha sido tal que otras áreas importantes productoras de tomate como son las del continente americano estén tratando de seleccionar míridos depredadores nativos con los que establecer programas de control biológico (Pérez-Hedo et al. 2021). En los últimos años se ha demostrado que los míridos pueden activar las defensas de las plantas de tomate, lo cual les convierte aún más si cabe en valiosos agentes de control biológico al poseer esta doble faceta, ser eficaces depredadores de un amplio rango de presas y poder activar defensas en las plantas (Pérez-Hedo et al. 2021a).

Las plantas se comunican entre sí para advertirse de agresiones externas como puede ser el ataque de plagas y enfermedades (Martinez-Medina et al. 2016). En el caso de ataques de fitófagos, esta comunicación se produce gracias a la acción de volátiles vegetales inducidos por herbívoros (HIPV). La producción de estos volátiles se induce inmediatamente cuando una planta es atacada por un fitófago y posteriormente son emitidos por la planta. Las plantas que captan estos volátiles los reciben como mensajes de advertencia y por ello activan su sistema de defensa que les permite entrar en un estado de alerta destinado a minimizar el daño potencial que se les avecina (Frost et al. 2008). Las plantas que reciben estas señales de advertencia por volátiles desencadenan una amplia gama de respuestas defensivas, como la producción de proteinasas inhibidoras (IP), la emisión de compuestos volátiles, la producción de alcaloides, la formación de tricomas y la secreción de néctar floral extra (Martinez-Medina et al. 2016).

Siguiendo este mismo patrón, el comportamiento fitófago que exhiben los míridos es lo que activa varias vías metabólicas relacionadas con las respuestas de defensa de las plantas, como son las rutas del ácido salicílico y jasmónico, las cuales desencadenan la liberación de HIPVs (ver más referencias en: Pérez-Hedo et al. 2021a). Algunos de estos volátiles son los responsables de la repelencia de herbívoros y la atracción de enemigos naturales (Pérez-Hedo et al. 2018). Además, también se ha estudiado y confirmado como las plantas previamente expuestas a los míridos pueden inducir defensas en plantas intactas (sin exposición previa con los míridos) por comunicación a través de volátiles (Pérez-Hedo et al. 2015) (Figura 1).

En un trabajo anterior, se determinó que el comportamiento fitófago de M. pygmaeus y N. tenuis, desencadenaba la emisión de siete HIPVs en plantas de tomate: 1-hexanol, (Z) -3-hexenol, (Z) -3- hexenilo acetato, (Z) -3-hexenilo propanoato, (Z) -3-hexenilo butanoato, butanoato de hexilo y metil salicilato (Pérez-Hedo et al. 2018). Recientemente en el IVIA se determinado cuál de estos volátiles podría ser responsable de la inducción de defensas en plantas intactas adyacentes sin previa exposición a míridos. Para ello, se expuso individualmente plantas de tomate a cada uno de los volátiles inducidos por los míridos y descritos anteriormente, durante 24 horas y se analizó el efecto de cada HIPV sobre la expresión de un gen marcador para la ruta del ácido salicílico (PR1), un marcador inhibidor de la proteinasa vegetal I (Sl-PI-I) y un gen marcador para la ruta del ácido jasmónico (PIN2) (Pérez-Hedo et al. 2021b). Además, ya que la activación de estos genes de defensa en las plantas de tomate desencadena repelencia o atracción por fitófagos y enemigos naturales, respectivamente (Pérez-Hedo et al. 2018), estudiamos la respuesta de cuatro plagas clave de tomate, T. absoluta, B. tabaci, Frankliniella occidentalis Pergande (Thysanoptera: Thripidae) y Tetranychus urticae Koch (Acari: Tetranychidae) y un parasitoide Encarsia formosa Gahan (Hymenoptera: Aphelinidae) a plantas previamente expuestas a dos de estos volátiles, el (Z)-3-hexenilo propanoato [(Z) -3-HP] y el metil salicilato [MeSa]. Estos dos volátiles fueron los que dieron mejor respuesta de activiación defensiva a partir de su capacidad para inducir las rutas metabólicas del ácido salicílico y del ácido jasmónico (Pérez-Hedo et al. 2021b). Para conocer el comportamiento de estas especies se utilizó un olfactómetro en forma de Y, evaluando así la preferencia de estas especies sobre plantas de tomate previamente expuestas a cada uno de estos dos HIPV’s [(Z) -3-HP y MeSa] y a plantas no expuestas (plantas control). Las plantas que previamente habían sido expuestas a ambos HIPVs fueron repelentes a B. tabaci, T. absoluta y F. occidentalis, atractivas para el parasitoide E. formosa e indiferentes frente a T. urticae.

Viendo la activación de genes marcadores relacionados con la respuesta defensiva tras la (Z)-3-HP y MeSA, quisimos saber si esta activación podría influir también en el desarrollo de dos especies fitófagas importantes en tomate, la araña roja T. urticae y el lepidóptero T. absoluta. Para ello, se realizaron distintos bioensayos donde se expusieron continuamente plantas de tomate a estos volátiles. Solamente las plantas de tomate expuestas a (Z)-3-HP redujeron la supervivencia de T. urticae y T. absoluta en comparación con las plantas no expuestas (Pérez-Hedo et al. 2021c). Por el contrario, no se encontraron diferencias en el tratamiento cuyas plantas se expusieron a MeSA para ninguna de las dos plagas.

En un paso más allá, mediante análisis transcriptómicos y metabolómicos, confirmamos que los genes involucrados en la defensa especializada se sobreexpresan por la exposición a (Z)-3-HP, lo que resulta en una mayor producción de compuestos derivados de ácidos grasos, en la activación de la vía de la lipoxigenasa y en la acumulación de compuestos de defensa específicos (Pérez-Hedo et al. 2021c). Estos resultados indican que hay una reprogramación de la planta después de la exposición a (Z) -3-HP que implica la producción de metabolitos secundarios y una plétora de inhibidores de proteínas, lo que indica, sin lugar a dudas, que la exposición a este volátil estimula una fuerte respuesta defensiva en la planta de tomate.

El interés en las posibles aplicaciones prácticas del uso de volátiles para inducir defensas de las plantas ha aumentado enormemente en los últimos años. Sin embargo, el aprovechamiento de la capacidad de las plantas para comunicarse y en particular el uso de HIPVs inductores de defensas aún no se ha desarrollado en la producción comercial para mejorar el manejo de plagas. Hasta la fecha, la investigación práctica con HIPVs se ha centrado principalmente en cuatro enfoques relacionados entre ellos (Turlings and Erb 2018): i) uso de HIPVs como repelentes o atrayentes de plagas y / o enemigos naturales, ii) selección genética de plantas para producir más HIPVs de interés agronómico, iii) uso de plantas acompañantes que emiten HIPVs de interés para el cultivo y iv) pulverización de HIPVs como inductores para inducir defensas en la planta. Desde el IVIA hemos desarrollado un nuevo enfoque: activar las defensas de las plantas al exponerlas a HIPVs inductores.

En vista de la capacidad del volátil (Z)-3-HP para activar defensas en plantas de tomate, en colaboración con el CEQA-UPV seleccionamos y calibramos un novedoso dosificador polimérico que permite la liberación constante y lenta de (Z)-3-HP durante largos periodos de tiempo (Figura 2). En primer lugar, para probar si el uso de estos volátiles podría activar las defensas del tomate durante un período continuo de tiempo y si esta activación tendría algún tipo de compensación en las plantas de tomate (trade-offs), se llevó a cabo un experimento en un invernadero experimental. En plantas expuestas a (Z)-3-HP, la expresión de genes marcadores para las vías del SA y JA se activó significativamente con respecto a las plantas de control durante toda la duración del experimento (2 meses). En este experimento, no se encontró ningún efecto claro de posibles compensaciones metabólicas con la activación defensas de la planta durante los dos meses de duración del bioensayo. Ni el crecimiento ni el peso de la fruta se vieron afectados por la activación mantenida de las defensas de la planta durante este período (2 meses).

En un último paso, decidimos probar el efecto del tratamiento con dosificador HIPV cargado con (Z)-3-HP en condiciones de invernadero comercial. Para ello, se seleccionaron 4 invernaderos de tomate Raf. Cada invernadero se consideró un bloque en un diseño de bloques completo al azar con 2 tratamientos por bloque (zona con HIPVs y zona control). Antes de que se colgaran los dispensadores, la expresión de los genes marcadores de defensa (PR1 y PIN2) eran iguales en las plantas de la zona tratamiento y control. Sin embargo, a los 30 y 60 días la expresión de ambos genes fue significativamente mayor en las plantas de las parcelas de tratamiento (Z) -3-HP que las de las parcelas de control. Este aumento de defensas se tradujo en que el nivel de infestación de T. absoluta fue significativamente menor (aprox. 58%) en el tratamiento con exposición (Z)-3-HP en comparación al control (Figura 3). Además, se pudo constatar que la instalación del mírido, N. tenuis, fue similar en ambos tratamientos (Para más información consultar la referencia Pérez-Hedo et al. (2021c).

El uso de volátiles como inductores de las defensas de las plantas aún no se ha explotado a gran escala para el manejo de plagas de cultivos. Nuestro trabajo demuestra, en condiciones comerciales de invernadero, cómo la liberación de HIPV como inductores de las defensas de plantas a través de dispensadores poliméricos puede integrarse con éxito como una nueva herramienta bioracional y sostenible para el control de plagas. Así, por primera vez se muestra que la exposición de una planta a HIPVs inductores de defensa se puede utilizar como una herramienta ambiental y económicamente sostenible para la protección de un cultivo importante como el tomate. Esta nueva herramienta de gestión de plagas basada en la comunicación entre plantas [Patente Española: ES2763224 (Pérez-Hedo et al. 2021d)], abre la puerta al desarrollo de nuevas estrategias de control de plagas y enfermedades no solo en tomate sino en otros cultivos.

Agradecimientos

La investigación que condujo a estos resultados fue parcialmente financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad MINECO (RTA2017-00073-00-00) y la Conselleria d’Agricultura, Pesca i Alimentació de la Generalitat Valenciana.

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