Sección: 16º symposium internacional sobre la problemática actual de las resistencias en cultivos mediterráneos
Abstract: La utilización de las proteínas insecticidas producidas por la bacteria Bacillus thuringiensis ha resultado una alternativa importante a los insecticidas químicos no sólo en su utilización convencional (como insecticidas de pulverización), sino también como proteínas de defensa en plantas transgénicas resistentes a insectos (cultivos Bt). Aunque se han detectado brotes de resistencia a preparados comerciales de B. thuringiensis, no se ha encontrado por el momento ningún caso de resistencia aparecida en campos de cultivos Bt desde su comercialización en 1996. Las estrategias de manejo de resistencia aconsejadas para cultivos Bt se basan principalmente en la utilización de refugios (zonas libres de plantas Bt) y, a poder ser, en combinación con plantas que expresen dos genes de proteínas insecticidas con distinto modo de acción.
Las actuales tendencias de las sociedades occidentales demandan unos suministros agrícolas para la alimentación que presenten unas características comerciales y sanitarias del más alto nivel. Esta exigencia va ligada al hecho de que también se exige, cada vez con mayor insistencia, que la producción agrícola se realice con el máximo respeto medioambiental, evitando en lo posible los tratamientos químicos.
Sin embargo, para la mayoría de los cultivos, la utilización de insecticidas y fungicidas resulta actualmente ineludible si se desea conseguir una producción competitiva.
Como alternativa a los insecticidas químicos, muchos de ellos peligrosos para la salud humana, se han desarrollado los insecticidas biológicos, basados en virus, bacterias o nematodos. De entre éstos, los basados en Bacillus thuringiensis son los más ampliamente utilizados por su eficacia, espectro de acción relativamente amplio, y por su inocuidad, no sólo para los vertebrados sino también para los insectos no diana, preservando así la fauna auxiliar. A pesar de estas ventajas, el uso de estos insecticidas está limitado por el hecho de tener un espectro de acción mucho más reducido que el de los insecticidas químicos, son más difíciles de aplicar correctamente, y no son efectivos para algunas plagas importantes (mosca de la fruta, pulgones, mosca blanca, etc.). Dentro del mercado mundial de insecticidas se estima que las ventas de agentes biológicos sólo constituyen del 1 al 2%, de entre los cuales los basados en B. thuringiensis ocupan el 95% de las ventas.
- produce un repertorio extenso de compuestos tóxicos que afectan a los insectos, entre los que se encuentran proteasas, quitinasas y distintos tipos de toxinas (á, â, ä), aunque el principal componente insecticida con diferencia se debe a las inclusiones cristalinas que se producen durante la esporulación de estas bacterias. Dichas inclusiones están formadas generalmente por varios tipos de ä?endotoxinas, también llamadas "toxinas Bt" o "proteínas Cry" (nombre que proviene de que se encuentran en el cristal paraesporal).
Un importante avance biotecnológico en la utilización de las toxinas Bt ha consistido en el desarrollo de plantas transgénicas (principalmente algodón y maíz) que son capaces de sintetizar estas toxinas Bt; son los denominados "cultivos Bt". Estas plantas son especialmente interesantes para el control de insectos de hábitos endofíticos, cuyo control tradicional resulta especialmente difícil. Además, el uso de estas plantas conlleva un descenso del número de tratamientos con insecticidas químicos, lo cual redunda en un menor impacto ambiental. La superficie ocupada por los cultivos Bt ha ido incrementándose a un ritmo prácticamente constante desde su introducción comercial en 1996, ocupando en el año 2004 alrededor de 22,4 millones de Ha a nivel mundial (Figura 1).
Resistencia a las toxinas Bt
El desarrollo de resistencia a los insecticidas en las poblaciones de insectosplaga es un fenómeno muy frecuente que aparece como consecuencia de la gran plasticidad genética que poseen los insectos y del uso prolongado de productos insecticidas sobre las poblaciones.
El primer caso de resistencia a un producto basado en B. thuringiensis fue descrito en 1985: una colonia de Plodia interpunctella que había sido seleccionada en el laboratorio con el producto comercial Dipel® aumentó la LC50 (concentración de producto necesaria para matar al 50% de la población) 100 veces con relación a las poblaciones control. Posteriormente se ha publicado un gran número de trabajos que describen el desarrollo de resistencia a las toxinas Bt en varias especies de insectos (Tabla 1). En la mayoría de estos casos la resistencia se ha desarrollado después de selección en el laboratorio. Sólo una especie, la polilla de las crucíferas, Plutella xylostella, ha sido capaz de desarrollar resistencia a productos comerciales de B. thuringiensis en poblaciones de campo (en el sudeste asiático y en zonas templadas de EE UU). Recientemente, en 2003, se ha encontrado que poblaciones de invernadero de Trichoplusia ni en Canadá han sido capaces de desarrollar resistencia a formulados de B. thuringiensis, posiblemente por la alta presión de selección ejercida dentro del ambiente confinado del invernadero. Es importante resaltar el hecho de que todavía no se ha encontrado ningún caso de resistencia como consecuencia de la exposición a los cultivos Bt.
Alteración de la unión a receptor como principal mecanismo de resistencia a las toxinas Bt
En principio, cualquiera de los pasos del modo de acción de las toxinas Bt es susceptible de ser modificado, lo cual conduciría a la interrupción del su proceso tóxico y, por tanto, la consiguiente aparición de resistencia. Hasta la fecha se han propuesto varios mecanismos de resistencia a las toxinas Bt, aunque sólo dos de ellos han sido claramente demostrados. Estos dos mecanismos consisten en la alteración en el procesado proteolítico de las toxinas en el intestino del insecto, o en la reducción de la capacidad de unión de las toxinas a sus receptores en el intestino medio del insecto. A tenor de los datos de que se dispone en la actualidad, este último mecanismo parece ser el más común y el que genera los mayores niveles de resistencia. Se han descrito cepas resistentes de Heliothis virescens y de Pectinophora gossypiella (gusano rosado) las cuales tenían alterado un gen para una proteína receptora de la familia de las cadherinas.
Otros tipos de moléculas propuestas como posibles receptores de las toxinas Bt, y cuya modificación puede provocar la aparición de resistencia, son proteínas de la familia de las aminopeptidasas. La identificación de los genes que codifican estos receptores nos permitirá disponer de sondas moleculares con las que poder hacer rastreos en las poblaciones de campo y detectar cambios en las frecuencias de los alelos de resistencia con la anterioridad suficiente para poder aplicar o modificar estrategias de manejo antes de que aparezca la resistencia.
El desarrollo de resistencia debido a la alteración del sitio diana conlleva que el insecto desarrolle resistencia no sólo a la toxina empleada para el control de dicho insecto, sino a todas aquellas toxinas que compartan ese mismo sitio de unión (fenómeno conocido como "resistencia cruzada"). En este sentido, nuestro grupo lleva más de 10 años trabajando en el desarrollo de los modelos de unión toxina-receptor, los cuales, además de aportar información sobre la naturaleza de los sitios de unión, también permiten determinar qué toxinas comparten un mismo sitio.
Mediante estudios de competencia entre toxinas marcadas (ya sea con biotina o con I125) y diferentes toxinas no marcadas se han podido determinar los modelos de unión de las toxinas Bt en diferentes insectos plaga. En la Figura 2 se representa el modelo de unión propuesto para 5 toxinas Bt en Helicoverpa armígera (vulgarmente conocido como heliothis). En este modelo, cinco toxinas diferentes (Cry1Aa, Cry1Ab, Cry1Ac, Cry1Fa y Cry1Ja) comparten un sitio de unión común (sitio B). La toxina Cry1Ac, además del sitio de unión compartido, reconoce otros dos sitios de unión (sitios A y C), uno de ellos exclusivo para ella (sitio A). El valor de estos modelos para la predicción de resistencia cruzada resulta obvio. Por ejemplo, teniendo en cuenta el modelo anterior, modificaciones en el sitio de unión B podrían provocar resistencia a las 5 toxinas que lo reconocen.
En cambio, modificaciones del sitio de unión C afectarían la efectividad de la toxina Cry1Ac, pero no al resto de toxinas. Estos modelos han sido contrastados en poblaciones que han desarrollado resistencia a algunas de las toxinas Bt tras ser sometidas a selección y, en general, se observa una clara relación entre el perfil de resistencia cruzada y los modelos de unión toxina-receptor.
Estrategias de manejo de la resistencia a cultivos Bt
Posiblemente, la utilización de estrategias para prevenir la resistencia a las toxinas Bt ha sido la razón por la cual no se haya detectado todavía resistencia en campo a los cultivos Bt. Entre las múltiples estrategias que se han propuesto, la basada en la combinación de la expresión de altas dosis de toxina en las plantas transgénicas con la utilización de refugios con plantas no transformadas es actualmente la más utilizada y, de hecho, la que recomienda la Agencia de Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos y el Departamento de Agricultura del mismo país (EPA y USDA, respectivamente, por sus siglas en inglés) (http://www.epa.gov/pesticides/biopesticides/).
La efectividad de esta estrategia está condicionada a que se den una serie de premisas: 1) La resistencia debe ser recesiva, 2) la concentración de toxina en los tejidos vegetales debe ser letal para los heterocigotos, 3) el apareamiento entre los individuos resistentes y susceptibles debe ser aleatorio, y 4) la frecuencia inicial de alelos de resistencia debe ser baja.
El papel de los refugios consiste en lograr que los individuos resistentes homocigotos, que en principio puedan sobrevivir al efecto tóxico, se apareen con individuos susceptibles para que la descendencia heterocigótica sea eliminada por las plantas transgénicas. La aleatoriedad del apareamiento entre individuos susceptibles y resistentes debe ser garantizada mediante un tamaño apropiado y una correcta distribución espacial de los refugios. Éstos pueden situarse tanto dentro del campo transgénico como fuera de éste, teniendo en cuenta la capacidad migratoria de la especie que se quiere controlar.
Una segunda estrategia es la de combinar el uso de dos toxinas Bt efectivas contra una misma plaga. Variantes de esta segunda estrategia pueden incluir la rotación temporal de cultivos que expresen toxinas distintas, la siembra en mosaico de variedades que expresen toxinas diferentes, o el empleo de una variedad que sea capaz de expresar simultáneamente dos toxinas distintas. Esta estrategia se basa en el hecho de que si la resistencia a una sola toxina ocurre con baja frecuencia, la resistencia simultánea a dos toxinas ocurrirá con una frecuencia extremadamente baja. Un requisito indispensable para que la estrategia sea efectiva es que las toxinas Bt consideradas no compartan el mismo receptor, de lo contrario se podría dar el caso de resistencia cruzada y esta estrategia perdería su validez. Los modelos de unión toxina-receptor de los que hemos hablado anteriormente son de especial relevancia a la hora de detectar incompatibilidades entre toxinas en cuanto a esta estrategia.
Actualmente se está utilizando ya la combinación de la estrategia de altas dosis/refugio con la de los cultivos Bt de segunda generación que combinan la expresión de dos toxinas, lo cual aportará una mayor protección frente a la aparición de insectos resistentes y contribuirá a la duración de la tecnología de los cultivos Bt que tantos beneficios puede reportar al agricultor, al consumidor y al medio ambiente.
BIBLIOGRAFÍA
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