Selección y mejora de caracteres biológicos de interés en Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) para incrementar su eficacia en el control de plagas

Abstract

[SPA] A principios de la década de los noventa, el cultivo de pimiento dulce de invernadero del Campo de Cartagena atravesaba una situación fitosanitaria insostenible, con dificultades en el control químico del trips Frankliniella occidentalis Pergande (Thysanoptera: Thripidae), vector del virus del bronceado del tomate, que ponía en peligro la rentabilidad de este cultivo. En un intento de revertir la situación, se iniciaron una serie de bioensayos con base en el control biológico aumentativo, que culminaron con un cambio total en la estrategia de control, mejorando la situación fitosanitaria de todo el agroecosistema de la región. Uno de los principales contribuyentes a este cambio fue el chinche depredador Orius laevigatus Fieber (Hemiptera: Anthocoridae), un enemigo natural de gran éxito en el cultivo de varias especies vegetales, incluyendo el pimiento de invernadero, siendo esencial para el control del trips. Sin embargo, al igual que ocurre con otros agentes de control biológico, su establecimiento en los cultivos, y por tanto su eficacia en el control de la plaga, se ven limitados en ocasiones por algunos factores, como la escasez de presas, las bajas temperaturas o el efecto nocivo de los tratamientos fitosanitarios. En el desarrollo de agentes de control biológico, los esfuerzos se han centrado tradicionalmente en la búsqueda de nuevas especies de enemigos naturales más eficaces. Sin embargo, la acción beneficiosa de las especies autóctonas puede optimizarse mediante la mejora genética, explotando la variabilidad intraespecífica de aquellos rasgos que dificultan el establecimiento a largo plazo del depredador en el cultivo. Así, en esta tesis doctoral se desarrollan dos razas de O. laevigatus genéticamente mejoradas con un rendimiento superior en condiciones de alimentación óptima (mayor tamaño corporal) y subóptima (mayor tolerancia al polen), evaluando su eficacia antes de su uso en la protección de cultivos. Diferentes características de los enemigos naturales pueden afectar a su rendimiento en los programas de control biológico. Entre ellas, el tamaño del cuerpo puede desempeñar un papel decisivo, ya que se ha asociado a un mayor rendimiento ecológico. No existen en la bibliografía estudios específicos sobre el tamaño del cuerpo en ninguna especie de Orius previo a esta tesis doctoral. Así pues, uno de los objetivos de este trabajo consistió en estudiar la variación del tamaño corporal en poblaciones silvestres y comerciales de O. laevigatus, así como seleccionar artificialmente una cepa con mayor tamaño corporal. A continuación, se estimaron los parámetros de la tabla de vida en comparación con los de una serie de poblaciones con un rango amplio de tamaños diferentes. En primer lugar, encontramos una variabilidad significativa en el tamaño corporal entre las poblaciones silvestres de O. laevigatus, con las poblaciones comerciales situadas dentro del rango natural de la propia especie. Sobre la base de esta variación, iniciamos un exhaustivo programa de mejora genética, obteniendo con éxito una cepa con un tamaño corporal significativamente mayor. Además, esta línea seleccionada mostró una mayor fecundidad cuando se le suministró un alimento nutricionalmente superior (huevos de Ephestia), así como una mayor fecundidad y longevidad con una dieta más pobre (polen de abeja). A pesar de presentar un tiempo de desarrollo ligeramente más corto, el potencial reproductivo general fue similar o incluso superior al de las poblaciones comerciales y sin seleccionar. Nuestra hipótesis es que las características mejoradas de la cepa seleccionada de gran tamaño se basan en una capacidad superior para explotar los recursos nutricionales, lo que le confiere una mayor capacidad de recuperación en situaciones de estrés (baja calidad o cantidad de alimento) típicas de los ecosistemas agrícolas, mejorando su rendimiento como agente de control biológico. A pesar de que esta cepa de gran tamaño mostró una aptitud reproductiva superior, la selección continuada hacia un carácter específico puede tener como consecuencia el coste negativo de una reducción de la capacidad depredadora, lo que a su vez afectaría a la eficacia del control biológico. Por ello, pusimos a prueba la capacidad depredadora de nuestra línea de gran tamaño antes de su utilización en programas de control biológico. Paralelamente, un mayor tamaño corporal puede desembocar en una ampliación del rango de presas, incluyendo a especies de mayor tamaño o a diferentes estadios de vida de las presas. En este sentido, nuestra cepa de mayor tamaño de O. laevigatus podría tener una tasa de depredación y un rango de presas superiores a los de las poblaciones comerciales y silvestres. Para comprobar ambas cuestiones, se estudió la respuesta funcional a diferentes densidades de Frankliniella occidentalis (adultos y larvas) y Myzus persicae Sulzer (Hemiptera: Aphididae) (ninfas) en nuestra variedad de O. laevigatus de gran tamaño, en comparación con una población comercial. Como resultado, el tamaño del depredador estaba significativamente relacionado con los parámetros de la respuesta funcional (tasa de ataque y tiempo de manipulación). La población mejorada genéticamente para un tamaño corporal más grande mostró una capacidad de depredación notablemente superior tanto sobre las larvas de trips como especialmente sobre los trips adultos, aunque no sobre los pulgones. Por tanto, el mayor tamaño corporal de nuestra raza seleccionada le ha permitido aumentar su eficacia como agente de control biológico de los trips. Por otro lado, en muchos cultivos protegidos, el control biológico aumentativo depende en gran medida de los depredadores generalistas, cuya presencia continua en el cultivo permite una respuesta temprana a la inmigración y los brotes de la plaga. Su persistencia es posible gracias a su capacidad para alimentarse de alimentos alternativos como el polen, ya sea proporcionado por la planta o suplementado artificialmente. Sin embargo, la aptitud de estos depredadores disminuye cuando se alimentan de alimentos alternativos, lo que dificulta su rendimiento sobre la plaga. Este es el caso de O. laevigatus. Se han llevado a cabo numerosas investigaciones sobre diferentes alimentos alternativos y suplementarios. En esta tesis se presenta un nuevo enfoque para hacer frente a este reto: la mejora genética para aumentar el rendimiento con una alimentación subóptima. Así, se planteó un proceso de mejora genética partiendo de la exploración de una amplia variabilidad intraespecífica en cuanto a la fecundidad durante los diez primeros días en los que las hembras alimentaban exclusivamente de polen deshidratado de abeja (14.2 - 37.9 huevos / hembra para treinta poblaciones silvestres y comerciales). Finalmente se compararon los caracteres del ciclo vital entre dos líneas seleccionadas con una elevada tolerancia al polen y tres poblaciones de referencia: una comercial, una de origen silvestre y otra aclimatada al polen, pero sin seleccionar, todo ello tanto con una dieta rica (huevos de Ephestia) como con una alimentación subóptima (polen). Las líneas seleccionadas mostraron valores considerablemente mejorados en cuanto a longevidad (1.5 veces), fecundidad temprana (1.3 veces) y durante toda la vida (1.9 veces), supervivencia de las ninfas (3.5 veces), tasa intrínseca de incremento natural (rm) (7.3 veces) y tasa reproductiva neta (R0) (6.7 veces), en comparación con las poblaciones de referencia cuando fueron alimentadas con polen, aunque estos valores aún no alcanzaban a los registrados con la dieta óptima basada en Ephestia. Las poblaciones seleccionadas, a pesar de que se alimentaron a base de polen, no dieron lugar a ningún coste ecológico cuando se alimentó de la dieta óptima. Esta mejora adquirida tiene su origen en la ganancia genética y no en la plasticidad fenotípica de la propia especie para tolerar la restricción nutricional. Una situación de escasez de presas tras la liberación de un enemigo natural o en determinadas condiciones a lo largo del ciclo del cultivo suele afectar negativamente a su establecimiento y, por tanto, perjudica la eficacia del control biológico aumentativo. Los depredadores omnívoros, capaces de alimentarse de una amplia gama de recursos tanto animales como vegetales, constituyen un enfoque adecuado para superar esta situación. Así, una vez demostrado que nuestra línea genética de O. laevigatus con una tolerancia superior a la alimentación sin presa presentó registros reproductivos y de longevidad mejorados en condiciones de alimentación restringida, es necesario estudiar las posibles contrapartidas que la selección haya podido llevar aparejadas. Un posible coste ecológico como consecuencia de la adaptación a la restricción nutricional podría ser la reducción de la capacidad depredadora del insecto sobre sus presas naturales, lo que podría perjudicar a su eficacia de control. Sin embargo, su rendimiento superior con una dieta subóptima podría derivarse de una capacidad superior para explotar cualquier recurso nutricional disponible, lo que proveería a este depredador de un rango más amplio de presas. Para dilucidar estas cuestiones, se examinó la tasa de depredación y la amplitud del rango de presas de nuestra población tolerante al polen antes de su uso potencial en programas de control biológico de plagas. Para ello, se estudió la respuesta funcional a diferentes densidades de F. occidentalis (adultos y larvas) y M. persicae (ninfas) en nuestra cepa mejorada de O. laevigatus en comparación con una población comercial. Así pues, no se observó coste ecológico alguno en las tasas de depredación sobre los adultos o sobre las larvas del trips en nuestra población tolerante al polen. Y lo que es más importante, esta línea mejorada también mostró una mayor capacidad de depredación sobre las ninfas de pulgón, demostrando así un rango de presas ampliado y, por tanto, una capacidad superior para explotar recursos de calidad subóptima. Los depredadores omnívoros obtienen sus recursos de más de niveles tróficos diferentes, y eligen su alimento en función de la cantidad y la calidad de estos recursos. Por ello, suelen entablar relaciones de depredación intragremial cuando las presas se vuelven escasas. O. laevigatus, por ejemplo, se comporta normalmente como depredador omnívoro, pero se convierte en depredador superior del ácaro depredador Amblyseius swirskii Athias-Henriott (Acari: Phytoseiidae) cuando se libera en un sistema combinado con niveles bajos de su presa preferida, el trips F. occidentalis. En esta tesis hemos ensayado nuestras dos poblaciones de O. laevigatus mejoradas genéticamente para un mayor tamaño y para una mejor aptitud reproductiva con polen (para las cuales hemos demostrado una mayor diversificación en la dieta) con el fin de dilucidar los efectos potenciales de la especialización trófica en la preferencia de presas y en la depredación intragremial sobre el ácaro depredador, todo ello en comparación con una población comercial. Para ello, se registró la tasa de depredación sobre fitoseidos adultos, ya sea solos o en una situación de elección con diferentes ratios de disponibilidad de trips adultos, en condiciones de laboratorio. También se examinó el efecto de la adición de polen como alimento suplementario sobre la depredación intragramial y la preferencia de presas. Así, encontramos que las dos líneas mejoradas mataban hasta un 9% menos de ácaros depredadores y se alimentaban sobre todo de trips adultos, en comparación con la población disponible comercialmente. Concretamente, mientras que la población con un tamaño corporal más grande mostró una tasa de depredación total significativamente mayor, matando hasta un 150% más de trips adultos de lo esperado como consecuencia del mayor tamaño adquirido, la línea más tolerante al polen se ha definido como un eficaz explotador de recursos, dado que su capacidad para alternar eficazmente entre diferentes presas y el polen le permite someter al trips adulto sin apenas necesidad de incurrir en la depredación intragremial. Por otro lado, la suplementación con polen tuvo un efecto significativo en la reducción de la depredación intragremial, pero sólo en el caso de la población tolerante al polen el efecto sobre la preferencia de presas fue significativo. Asimismo, se discute en esta tesis la teoría de la depredación intragremial y el impacto de la alternancia de presas en las redes tróficas y en las estrategias de control biológico. Finalmente, y para ambas poblaciones mejoradas, ya sea en condiciones de alimentación óptima (tamaño más grande) como con una dieta subóptima (tolerancia superior a la alimentación sin presa), se discuten en esta tesis las implicaciones de la mejora en el desempeño de O. laevigatus como depredador generalista en cuanto a la dependencia de la densidad de su presa favorita, el trips de las flores, así como los posibles beneficios y aplicaciones agronómicas e industriales que éstas líneas mejoradas pueden presentar.

[ENG] In the early nineties, the greenhouse sweet-pepper crops of Campo de Cartagena were going through an unsustainable phytosanitary situation, with difficulties in the chemical control of the thrips Frankliniella occidentalis Pergande (Thysanoptera: Thripidae), vector of the tomato spotted wilt virus, which endangered the profitability of this crop. In an attempt to reverse this situation, a series of augmentative biocontrol-based surveys were launched, resulting in a total change in the control strategy which improved the phytosanitary situation of the entire agro-ecosystem in the area. One of the main contributors to this change was the predatory bug Orius laevigatus Fieber (Hemiptera: Anthocoridae), a successful natural enemy in several crop species, including greenhouse sweet-pepper, being essential for thrips control. However, as with other biological control agents, its establishment in crops, and therefore its effectiveness in pest control, is sometimes limited by some factors, such as prey shortage, low temperatures or the harmful effect of phytosanitary treatments. In the development of biocontrol agents, efforts have traditionally focused on the search for new and more effective natural enemy species. However, the beneficial action of native species can be optimized by genetic improvement, exploiting the intraspecific variability of those traits that hamper the long-term establishment of the predator in the crop. Thus, in this PhD thesis, two genetically improved O. laevigatus strains with superior performance under optimal (larger body size) and suboptimal (higher pollen tolerance) feeding conditions are developed and tested prior to their use in crop protection. A number of different characteristics of natural enemies can affect their performance in biological control programs. Among them, body size can play a key role, as it has been associated with higher ecological performance. No specific studies on body size in any Orius species prior to this PhD thesis exist in the literature. Thus, one of the goals of this work was to study body size variation in wild and commercial O. laevigatus populations, as well as to artificially select a strain with larger body size. We then examined their life table parameters in comparison with a series of populations exhibiting a range of body sizes. First, we found significant variability in body size among wild O. laevigatus populations, with commercial strains falling within the natural range of the species. Based on this variation, we launched a comprehensive selective breeding program, successfully obtaining a strain with significantly larger body size. In addition, this improved genetic line showed higher fecundity when fed a nutritionally superior food (Ephestia eggs), as well as higher fecundity and longevity when fed an inferior diet (honey bee dehydrated pollen). Despite a slightly slower development time, overall reproductive potential was similar or even superior to that of the commercial and unselected populations. We hypothesize that the improved characteristics of the large selected strain are based on a superior ability to exploit nutritional resources, giving it a higher resilience under stressful situations (low food quality or quantity) typical of agricultural ecosystems, improving its performance as a biological control agent. Although this large strain showed superior reproductive fitness, continued selection for a specific trait may result in the cost of reduced predatory fitness, which in turn would affect the efficacy of biological control. Therefore, the predatory ability of our bigger line was tested prior to its use in biological control programs. In parallel, a larger body size can lead to a broadening of the prey range, including larger species or different life stages of prey. Thus, our larger O. laevigatus strain could have a higher predation rate and prey range than commercial and wild populations. In order to elucidate both issues, the functional response to different densities of F. occidentalis (adults and larvae) and Myzus persicae Sulzer (Hemiptera: Aphididae) (nymphs) was studied in our larger O. laevigatus strain compared to a commercial population. As a result, predator size was significantly related to functional response parameters (attack rate and handling time). The population genetically improved for larger body size showed a markedly superior predation ability, both on thrips larvae and especially on adult thrips, although not on aphids. Therefore, the larger body size of our selected strain may increase its efficacy as a biological control agent for thrips. On the other hand, in many protected crops, augmentative biological control heavily relies on generalist predators, whose continued presence in the crop allows an early response to pest immigration and outbreaks. Their persistence is made possible by their ability to feed on alternative foods such as pollen, either provided by the plant or artificially supplemented. However, the fitness of these predators decreases when they feed on alternative foods, thus hindering their performance on the pest. This is the case of O. laevigatus. Extensive research has been carried out on different alternative and supplementary foods. In this thesis, a new approach to cope with this challenge is presented: genetic improvement to increase efficiency under suboptimal nutrition. Therefore, a genetic breeding process is proposed based on the exploration of a wide intraspecific variability in terms of fecundity during the first ten days feeding with pollen (14.2 - 37.9 eggs/female for thirty wild and commercial populations). Finally, life history traits were compared between two selected lines with high pollen tolerance and three reference populations: one commercial, one with a wild origin and one acclimated to pollen feeding but unselected, on both rich (Ephestia eggs) and suboptimal (pollen) diets. The selected lines showed considerably enhanced scores for longevity (1.5-fold), early (1.3-fold) and lifetime fecundity (1.9-fold), nymph survival (3.5-fold), intrinsic rate of natural increase (rm) (7.3-fold) and net reproductive rate (R0) (6.7-fold), compared to the reference populations, when fed with pollen, although these values still did not reach those recorded with the optimal Ephestia eggs-based diet. The selected populations, although having been fed on pollen, did not give rise to any ecological cost when fed the optimal diet. This acquired improvement is due to genetic gain and not to the phenotypic plasticity of the species itself to tolerate nutritional restriction. A situation of prey scarcity after the release of a natural enemy or under certain conditions throughout the crop cycle often negatively affects its establishment. Omnivorous predators, capable of feeding on a wide range of both animal and plant resources, are a suitable approach to overcome this situation. Thus, having demonstrated that our genetic line of O. laevigatus with superior tolerance to non-prey feeding exhibited improved reproductive and longevity records under restricted feeding conditions, it is necessary to study the potential trade-offs that selection may have brought. A possible fitness cost of adaptation to nutritional restriction could be the reduction of the insect's predatory capacity on its natural prey, which could be detrimental to its control efficiency. However, the superior performance observed in our selected strain with a suboptimal diet could derive from a superior ability to exploit any available nutritional resource, which would provide this predator with a wider range of prey. To elucidate these inquiries, we examined predation rate and prey range extent of our pollen-tolerant population. To this end, the functional response to different densities of F. occidentalis (adults and larvae) and M. persicae (nymphs) was studied in our pollen-tolerant improved population of O. laevigatus compared to a commercial population. Hence, no trade-offs were observed in predation rates on either thrips adults or larvae in our pollen-tolerant strain. More importantly, it also showed a higher predation capacity on aphid nymphs, thus demonstrating an expanded prey range and thus a superior ability to exploit suboptimal quality resources. Omnivorous predators obtain their resources from more than one trophic level, and choose their food based on the quantity and quality of these resources. Therefore, they often engage in intraguild predation relationships when prey become scarce. O. laevigatus, for example, typically behaves as an omnivorous predator, but becomes a top predator of the predatory mite Amblyseius swirskii Athias-Henriott (Acari: Phytoseiidae) when released into a combined system with low levels of its preferred prey, F. occidentalis thrips. In this thesis we have tested our two O. laevigatus populations genetically enhanced with larger body size and improved reproductive fitness on pollen (for which we have already demonstrated an increased dietary diversification), in order to elucidate the potential effects of trophic specialization on prey preference and intraguild predation on the phytoseiid, as compared to a commercial population. For this purpose, predation rate on adult phytoseiids, either alone or in a choice situation with different adult thrips availability ratios, was recorded under laboratory conditions. We also examined the effect of the supplementary food addition of pollen on intraguild predation and prey switching. Thus, we found that both improved lines killed up to 9% fewer predatory mites and fed mostly on adult thrips compared to the commercially available population. Specifically, while the population with a larger body size showed a significantly higher total predation rate, killing up to 150% more adult thrips than expected as a consequence of the larger body size acquired, the line with higher pollen tolerance has been defined as an efficient resource exploiter, since its ability to switch efficiently between different prey and pollen enables it to evade adult thrips defenses with little need to engage in intraguild predation. Pollen supplementation had a significant effect on reducing intraguild predation, but only in the case of the pollen-tolerant population the effect on prey preference was significant. The theory of intraguild predation and the impact of prey switching on food webs and biological control strategies are also discussed in this thesis. Finally, for both genetically improved strains, either under optimal feeding conditions (larger body size) or with a suboptimal diet (superior tolerance to non-prey feeding), the implications of the improved performance of O. laevigatus as a generalist predator in terms of density dependence on its preferred prey, western flower thrips are discussed in this thesis, as well as the possible benefits and agronomic and industrial applications that these improved lines may present.