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Tesis:

Resistance to deltamethrin in Spanish populations of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitate : detection, characterization and management

  • Autor: CASTELLS SIERRA, Javier

  • Título: Resistance to deltamethrin in Spanish populations of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitate : detection, characterization and management

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74520/

  • Director/a 1º: ORTEGO ALONSO, Félix

  • Resumen: The Mediterranean fruit fly (medfly), Ceratitis capitata, is a major insect pest of citrus and other fruit crops. In the Comunitat Valenciana, current medfly control measures in citrus orchards rely mostly on the employment of pesticides (spinosad and lambda-cyhalothrin as bait sprays, and bait stations impregnated with deltamethrin) and the release of sterile males. The viability of medfly control programs, however, is jeopardized by reports of lambda-cyhalothrin resistance and the detection of spinosad resistant alleles in field populations. The use of deltamethrin coated traps (mostly Magnet™MED and Ceratipack) started in 2012 and has grown in recent years, reaching a surface area of about 12,500 ha in 2021. However, field populations collected in the Comunitat Valenciana showed low susceptibility to deltamethrin-coated Magnet™MED traps as soon as in 2017. Thus, proactive Insecticide Resistance Management (IRM) strategies are needed to improve the efficacy and sustainability of available insecticides and to prevent control failures. Molecular diagnostic tools and/or evolutive models are already available for spinosad and lambda-cyhalothrin resistance, but not for deltamethrin resistance, limiting the implementation of IRM strategies for this insecticide. The purpose of this study was to determine to which extent Spanish medfly field populations are resistant to deltamethrin, to characterize some of the main factors that contribute to the development and evolution of resistance (cross-resistance, inheritance, fitness cost and mechanisms of resistance), and to forecast resistance development using evolutive models. We have discovered that deltamethrin resistance is widespread in medfly field populations in the Comunitat Valenciana, and it is also present in other Spanish field populations collected in the period 2018-2020. This novel case of resistance adds to earlier findings of Spanish medfly field populations resistant to lambda-cyhalothrin in 2009–2010 and to malathion in 2004-2005. The fact that deltamethrin resistance was already widespread when first discovered, as it also occurred with malathion and lambda-cyhalothrin, is most likely related to the high rates of gene flow reported to occur among Spanish medfly populations. We have assessed key factors and mechanisms contributing to resistance development in two deltamethrin resistant strains (Rfg-delta and BP-delta), generated by laboratory selection from the descendants of the field populations that showed lower susceptibility to deltamethrin. When compared to the susceptible C strain, Rfg-delta and BP-delta showed high resistance levels to Magnet™MED traps (the most used from 2012 to 2018) and intermediate levels of resistance to Ceratipack traps (facilitated to farmers from 2019). The differences in susceptibility to both types of traps may be related to the higher concentration of deltamethrin on the surface Ceratipack traps, though other aspects of trap design may also have contributed. Both, Rfg-delta and BP-delta, were highly susceptible to spinosad, and a spinosad resistant strain (JW-100s) was highly susceptible to deltamethrin, indicating that cross-resistance does not occur between these insecticides in the resistant strains. However, our findings suggest that several situations of cross-resistance or multiple resistance between lambda-cyhalothrin and deltamethrin might emerge in the field. Singularly, the field population Rafelguaraf-N1, from which the strain Rfg-delta was derived, was highly resistant to both insecticides, but the resistance to lambda-cyhalothrin was lost when selected with deltamethrin, indicating that resistance to both insecticides in the field was most probably due to multiple resistance. On the contrary, we showed that the lambda-cyhalothrin resistant strain W-1Kλ, originated from a field population collected in Castelló in 2004 before deltamethrin traps were placed in the field and which has never been exposed to deltamethrin, exhibit extremely high cross-resistance to deltamethrin. Pyrethroid resistance is primarily caused by increased detoxification and/or target site insensitivity by alterations at the voltage-gated sodium channel (VGSC). Bioassays with synergists showed that PBO reverted deltamethrin resistance in both field populations (Rafelguaraf-N1) and laboratory strains (BP-delta and Rfg-delta), whereas the effect of the synergists DEF and DEM was minor. In addition, no mutations at any of the three VGSC gene regions that concentrate most of the pyrethroid resistance-conferring mutations were found in deltamethrin resistant field populations (Benaguasil, Picassent and Rafelguaraf-N1) and laboratory strains (BP-delta and Rfg-delta). Taken together, our results suggest that deltamethrin resistance in field populations and laboratory strains was metabolic and mediated by P450 enzymes. However, we did not find differences in the basal or induced P450 enzymatic activity of the resistant deltamethrin strains (BP-delta and Rfg-delta) when compared with the susceptible C strain. Thus, further studies are needed to determine which specific P450s are involved in resistance. Our results showed that the deltamethrin resistant phenotype was inherited as a polygenic, recessive, and autosomal trait in the two laboratory selected strains (BP-delta and Rfg-delta). The polygenic nature of resistance implies that, though resistance is associated with P450 metabolic pathways, several P450 genes and/or other genes associated with pesticide metabolism may be contributing to resistance. Besides, if we assume that deltamethrin resistance is also recessive in field populations, both genotypes homozygous for susceptible alleles and heterozygous bearing a resistant allele will be eliminated by the traps deployed in the field. This may result in the rapid elimination of susceptible alleles from the populations, existing the risk that the recessive resistant alleles get fixed if the selection pressure is too high, which may be considered when designing IRM strategies. Our studies also demonstrated that deltamethrin resistance imposes a fitness cost in terms of male weight, male and female lifespan, and lifetime fecundity in the laboratory selected strains, though BP-delta endures higher trade-offs than Rfg-delta. This suggest that the ability of resistant phenotypes to compete with susceptible wildtype phenotypes may be compromised, though further experiments are required to test if deltamethrin resistant phenotypes decline in deltamethrin-free environments. Using the knowledge generated for deltamethrin resistance, an evolutionary model was developed to forecast the evolution of resistance under current medfly control scenarios. Deltamethrin traps are deployed in citrus orchards for a period of several months, that covers from the end of the summer to the end of the fall, though they are normally complemented with the application of insecticide bait sprays (spinosad and/or lambda-cyhalothrin) for a satisfactory medfly control. Our model predicts that: i) spinosad is a suitable option for spraying in fields where bait stations with deltamethrin are set up, reducing the selection of deltamethrin resistance alleles compared to the setting of deltamethrin traps alone; ii) the compatibility of lambda-cyhalothrin sprays and deltamethrin traps will depend on the different scenarios of cross-resistance or multiple resistance that may occur in field populations, warning against the potential consequences of mixing lambda-cyhalothrin sprays with deltamethrin traps in the same fields and iii) the switch from Magnet™MED to Ceratipack (facilitated to farmers since 2019) traps may contribute to slow down the development of deltamethrin resistance. RESUMEN La mosca mediterránea de la fruta, Ceratitis capitata, es una de las principales plagas de cítricos y otros cultivos frutales. En la Comunitat Valenciana, el control de C. capitata en cítricos se basa principalmente en el uso de insecticidas (spinosad y lambda-cyhalothrina mediante formulaciones cebo, y trampas de atracción impregnadas con deltametrina) y en la liberación de machos estériles. Sin embargo, la viabilidad de los programas de control para C. capitata se ve comprometida por la aparición de resistencia a lambda-cihalotrina y por la detección de alelos resistentes a spinosad en las poblaciones de campo. El uso de trampas con deltametrina (mayoritariamente Magnet™MED y Ceratipack) comenzó en 2012, y su uso ha crecido en los últimos años alcanzando una superficie de unas 12.500 hectáreas en 2021. Sin embargo, poblaciones de campo recogidas en la Comunitat Valenciana en 2017 ya mostraron una baja susceptibilidad a trampas Magnet™MED recubiertas por deltametrina. Por esta razón se necesitan estrategias proactivas de manejo de la resistencia a los insecticidas (MRI) que mejoren la eficacia y la sostenibilidad de los insecticidas disponibles y prevengan fallos en el control. Herramientas moleculares de diagnóstico y/o modelos evolutivos ya están disponibles para la resistencia a spinosad y lambda-cihalotrina, pero no para el manejo de la resistencia a deltametrina, lo que limita la implementación de estrategias de MIR para este insecticida. El propósito de este estudio fue determinar en qué medida las poblaciones españolas de C. capitata son resistentes a la deltametrina, caracterizar algunos de los principales factores que contribuyen al desarrollo y evolución de la resistencia (resistencia cruzada, herencia, coste biológico y mecanismos de resistencia), y predecir la evolución de la resistencia utilizando modelos evolutivos. Se ha descubierto que la resistencia a la deltametrina se encuentra ampliamente distribuida en poblaciones de C. capitata de la Comunidad Valenciana, y también está presente en poblaciones de campo de otras zonas de nuestro país recogidas entre 2018 y 2020. Este nuevo caso de resistencia se añade a descubrimientos previos de poblaciones españolas de C. capitata resistentes a lambda-cihalotrina en 2009-2010 y a malatión en 2004-2005. El hecho de que la resistencia a la deltametrina ya estuviera ampliamente extendida cuando fue detectada por primera vez, como sucedió con malatión y lambda-cihalotrina, es probablemente debido a las altas tasas de flujo genético entre las poblaciones de C. capitata en España. Hemos evaluado los factores y mecanismos clave que contribuyen al desarrollo de resistencia en dos líneas resistentes a deltametrina (Rfg-delta y BP-delta) generadas por selección en laboratorio a partir de los descendientes de las poblaciones de campo que mostraron menor susceptibilidad a deltametrina. En comparación con la cepa C susceptible, Rfg-delta y BP-delta mostraron altos niveles de resistencia a las trampas Magnet™MED (las más utilizadas de 2012 a 2018) y niveles intermedios de resistencia a las trampas Ceratipack (facilitadas a los agricultores desde 2019). Las diferencias en la susceptibilidad a ambos tipos de trampas pueden estar relacionadas con la mayor concentración de deltametrina en la superficie de las trampas Ceratipack, aunque también pueden haber contribuido otros aspectos relacionados con el diseño de las trampas. Tanto Rfg-delta como BP-delta fueron altamente susceptibles a spinosad, y una cepa resistente a spinosad (JW-100s) fue altamente susceptible a deltametrina, lo que indica que la resistencia a deltametrina no confiere resistencia cruzada a spinosad y viceversa. Sin embargo, nuestros resultados sugieren que en las poblaciones de campo podrían darse diferentes situaciones de resistencia cruzada o resistencia múltiple entre lambda-cihalotrina y deltametrina. En particular, la población de campo Rafelguaraf-N1, de la que se derivó la línea Rfg-delta, fue altamente resistente a ambos insecticidas, pero la resistencia a lambda-cihalotrina se perdió cuando se seleccionó con deltametrina, lo que indica que la resistencia a ambos insecticidas en la población de campo fue probablemente debida a resistencia múltiple. Por el contrario, demostramos que la línea resistente a lambda-cihalotrina W-1Kλ, originada a partir de una población de campo recolectada en Castelló en 2004 antes de que se utilizaran trampas de deltametrina y que nunca había estado expuesta a este insecticida, presentó una resistencia cruzada extremadamente alta frente a deltametrina. La resistencia a piretroides es causada principalmente por dos mecanismos: metabólicos que implican una mayor detoxificación del insecticida; y/o mutaciones en el canal de sodio dependiente de voltaje (VGSC), la molécula diana de los piretroides. Bioensayos con sinergistas mostraron que el PBO revirtió la resistencia a deltametrina tanto en las poblaciones de campo (Rafelguaraf-N1) como en las líneas de laboratorio (BP-delta y Rfg-delta), mientras que el efecto de los sinergistas DEF y DEM fue menor. Además, en poblaciones de campo (Benaguasil, Picassent y Rafelguaraf-N1) y líneas de laboratorio (BP-delta y Rfg-delta) resistentes a deltametrina no se encontraron mutaciones en ninguna de las tres regiones del gen VGSC que concentran la mayoría de las mutaciones que confieren resistencia a los piretroides. En conjunto, nuestros resultados sugieren que la resistencia a la deltametrina en poblaciones de campo y líneas de laboratorio es metabólica y mediada por enzimas P450. Sin embargo, no encontramos diferencias en la actividad enzimática P450, basal o inducida, de las líneas resistentes a deltametrina (BP-delta y Rfg-delta) en comparación con la cepa C susceptible. Por lo tanto, se necesitan más estudios para determinar qué enzimas P450 están involucradas en la resistencia. Nuestros resultados mostraron que el fenotipo resistente a deltametrina se hereda como un rasgo poligénico, recesivo y autosómico en las dos líneas seleccionadas en el laboratorio (BP-delta y Rfg-delta). La naturaleza poligénica de la resistencia implica que, aunque la resistencia esté mediada por P450s, varios genes P450 y/u otros genes asociados con el metabolismo de los plaguicidas pueden estar contribuyendo a la resistencia. Además, si asumimos que la resistencia a deltametrina también es recesiva en las poblaciones de campo, tanto los genotipos homocigotos para alelos susceptibles como los heterocigotos con un alelo resistente serán eliminados por las trampas desplegadas en campo. Esto puede resultar en la eliminación rápida de alelos susceptibles de las poblaciones, existiendo el riesgo de que los alelos resistentes recesivos se fijen si la presión de selección es demasiado alta, lo que debe ser considerado al diseñar estrategias de MRI. Nuestros estudios también demostraron que la resistencia a la deltametrina impone un coste biológico en términos de peso de los machos, longevidad de machos y hembras y fecundidad en las líneas seleccionadas en el laboratorio, aunque BP-delta soporta un coste mayor que Rfg-delta. Esto sugiere que la capacidad de los fenotipos resistentes para competir con los fenotipos de tipo salvaje susceptibles puede verse comprometida, aunque se requieren experimentos adicionales para comprobar si los fenotipos resistentes a la deltametrina son eliminados en ambientes libres de deltametrina. Usando el conocimiento generado sobre la resistencia a la deltametrina, se desarrolló un modelo evolutivo capaz de realizar predicciones acerca de la evolución de la resistencia bajo los diferentes escenarios de control de C. capitata. Las trampas con deltametrina se emplean en los campos de cítricos durante un periodo de varios meses, que abarca desde finales de verano hasta finales de otoño, aunque normalmente se complementan con la aplicación de cebos insecticidas pulverizados (spinosad y/o lambda-cihalotrina) para conseguir un control satisfactorio. Nuestro modelo predice que: i) spinosad es una opción adecuada para utilizar en campos donde se instalan trampas con deltametrina, reduciendo la selección de alelos de resistencia a deltametrina en comparación con la instalación únicamente de trampas con deltametrina; ii) la compatibilidad de aplicar el insecticida lambda-cihalotrina y las trampas con deltametrina dependerá de los diferentes escenarios de resistencia cruzada o resistencia múltiple que puedan ocurrir en las poblaciones de campo, advirtiendo sobre las posibles consecuencias de utilizar lambda-cihalotrina y trampas con deltametrina en los mismos campos; y iii) el cambio de las trampas Magnet™MED a Ceratipack (facilitadas a los agricultores desde 2019) podría contribuir a ralentizar el desarrollo de la resistencia a la deltametrina.