Resistência ao milho Bt piramidado Cry1A.105 + Cry2Ab na lagarta do cartucho: situação de campo, herança e estabilidade

Abstract

Mundialmente, toxinas de Bacillus thuringiensis (Bt) são usadas na agricultura para manejo de pragas, no entanto a adoção em larga escala de cultivares expressando tais toxinas tem levado ao surgimento de populações resistentes no campo. Alguns fatores da ecologia evolutiva da resistência, tais como a sua recessividade funcional e o desempenho reduzido dos insetos resistentes na planta Bt e não-Bt, são favoráveis ao manejo da resistência, porém esses fatores podem mudar ao longo do tempo. Nesse contexto, aqui se caracterizou a dinâmica da adaptação de insetos resistentes e suscetíveis à toxinas Bt Cry1A.105 + Cry2Ab na presença e ausência das toxinas. Isso foi feito durante dois anos em populações com diferentes históricos evolutivos e em diferentes contextos ecológicos. Como modelo de estudo usamos populações de Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae). Como suspeitado, as populações de campo, coletadas em lavouras de milho Bt piramidado Cry1A.105 + Cry2Ab ou milho Bt Cry1F apresentaram baixa suscetibilidade a ambos milhos. Em bioensaios com larvas derivadas do campo em 2016 usando folhagem do milho Bt Cry1A.105 + Cry2Ab e seu isogênico não-Bt, o nível de resistência decaiu em menos de 15 gerações sem pressão de seleção e a população foi extinta, indicando clara instabilidade da resistência. Isso porém não ocorreu na população resistente de 2013, na qual a resistência antes tinha forte custo adaptativo e era instável, indicando que mudanças na arquitetura genética da população devem ter ocorrido durante os cinco anos de intermitente pressão de seleção aplicada para manter o nível da resistência. A resposta da progênie F2 e de retrocruzamentos indicaram que a resistência nessa população é controlada por um único locus ou mais de um fortemente ligados. Em outras duas populações coletadas em 2017 em campos com suspeita de falha de controle pelos milhos Cry1F e Cry1A.105 + Cry2Ab, a resistência foi estável durante 12 gerações sem pressão de seleção. Essa resistência não apresentou custos adaptativos aos insetos quando eles desenvolveram em folhagem de milho não-Bt. O mesmo ocorreu em vários órgãos vegetativos de algodão, que é um hospedeiro alternativo de S. frugiperda, sendo que o desafio alimentar imposto às larvas não reduziu o desempenho da população resistente em relação às duas suscetíveis usadas no estudo. Em cruzamentos recíprocos entre insetos resistentes e suscetíveis, a progênie F1 respondeu ao milho Cry1A.105 + Cry2Ab semelhantemente à população parental suscetível, indicando ser a resistência funcionalmente recessiva. Os resultados desta pesquisa são importantes para nortear a elaboração e/ou recomendação de estratégias adequadas para desfavorecer a rápida seleção de insetos resistentes a plantas Bt no campo. Embora as populações resistentes de 2013 e 2016 tendiam a reestabelecer a suscetibilidade na ausência de pressão de seleção, os resultados mais recentes de 2017 mostraram que a resistência às toxinas Cry1A.105 + Cry2Ab em populações de campo pode ser completa, sem custo adaptativo e estável durante 12 gerações sem pressão de seleção. Essas condições são desfavoráveis ao manejo da resistência no campo. A única condição favorável é que a resistência parece ser funcionalmente recessiva, o que pode possibilitar o seu manejo se houver indivíduos suscetíveis que acasalem com os resistentes. Futuramente os esforços de pesquisa devem buscar entender a interação de tácticas de manejo visando integração racional delas, o que pode auxiliar a evitar rápida perda da eficácia de certos cultivares Bt e outras tecnologias de manejo de pragas na agricultura mundial. O problema da resistência de S. frugiperda a toxinas Bt merece ser considerado porque há poucas toxinas potentes disponíveis e não há expectativa de lançamento de novas toxinas nos próximos anos.

Worldwide, Bacillus thuringiensis (Bt) toxins are used in agriculture for pest management, but the large-scale adoption of cultivars expressing Bt toxins has led to the emergence of resistant populations in the field. Some factors of the evolutionary ecology of Bt resistance, such as the functional recessiveness and the reduced fitness of resistant insects on Bt and non-Bt plants, are favorable to resistance management, but these factors may change over time. In this context, the fitness dynamics of insects resistant and susceptible Cry1A.105 + Cry2Ab Bt toxins was characterized in the presence and absence of the toxins. This was done for two years in populations with different evolutionary histories and in different ecological contexts. As a study model we used populations of fall armyworm, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae). As suspected, the field populations collected on field of Bt maize expressing Cry1A.105 + Cry2Ab or Cry1F showed low susceptibility to both Bt maize plants. In bioassays with field- derived larvae in 2016 using foliage of the Bt Cry1A.105 + Cry2Ab maize and its isogenic non-Bt cultivar, the level of resistance declined in less than 15 generations without selection pressure and the population was extinguished, indicating clear instability of resistance. This, however, did not occur in the resistant population of 2013, in which the resistance had a strong fitness costs and was unstable, indicating that changes in population genetic architecture must have occurred during the five years of intermittent selection pressure applied to maintain the resistance level. The response of the F2 progeny and backcrosses indicated that the resistance in that population is controlled by a single locus or more than one tightly linked loci. In two other populations collected in 2017 in maize fields with suspected control failure by Cry1F and Cry1A.105 + Cry2Ab maize, resistance was stable for 12 generations without selection pressure. The resistant insects did not showed reduced fitness when they developed on foliage of non-Bt maize. The same occurred in several structures of cotton plants, which is an alternative host of the fall armyworm, and the food challenge imposed on the larvae did not reduce the performance of the resistant population in relation to the two susceptible populations used in the study. In reciprocal crosses between resistant and susceptible insects, the F1 progeny responded to Cry1A.105 + Cry2Ab maize similarly to the susceptible parental population, indicating that the resistance was functionally recessive. The results of this research should help devise and / or recommend appropriate strategies to manage the rapid selection of resistant insects to Bt plants in the field. Although the resistant populations of 2013 and 2016 tended to reestablish the susceptibility in the absence of selection pressure, recent results from 2017 showed that the resistance to Cry1A.105 + Cry2Ab toxins in field populations may be complete, without fitness costs and stable for 12 generations without selection pressure. These conditions are unfavorable to resistance management in the field. The only favorable condition is that the resistance appears to be functionally recessive, which may enable its management if susceptible fall armyworm moths mate with resistant ones. Future research efforts should try to understand the interaction of management tactics aiming to integrate them rationally. This may help to prevent the rapid loss of control efficacy of certain Bt cultivars and other pest management technologies. The issue of fall armyworm resistance to Bt toxins deserves consideration because there are few potent toxins available, only two or three, and no release of new toxins is expected in the coming years.