Léo RamosEscarabajo Cyrtomon atacando plantas de tabaco: el objetivo de los estudios es la feromona de apareamiento para una futura aplicaciónLéo Ramos
Una visita durante las vacaciones del por entonces estudiante de agronomía José Maurício Simões Bento a un ingenio azucarero en Olímpia, en el interior paulista, a comienzos de la década de 1990, derivó, algunos años después, en el lanzamiento de la primera feromona comercial brasileña, una sustancia química identificada en la hembra del escarabajo Migdolus fryanus, que la utiliza para atraer a los machos y aparearse. Esa sustancia fue sintetizada en laboratorio y se emplea para combatir al insecto en los cañamelares. “Fui a visitar a un compañero de la universidad que era el gerente agrícola de la central y, en ese entonces, eran asolados por una invasión de escarabajos”, dice Bento, que hoy es el responsable del laboratorio del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (INCT) de Semioquímicos en la Agricultura, en la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, de la Universidad de São Paulo (Esalq-USP) en Piracicaba. Hasta ese momento no existía ningún tipo de control efectivo sobre la plaga, que llega hasta los 5 metros de profundidad, ataca las raíces de la caña y causa graves daños al cultivo. Las condiciones ambientales que Bento detectó en su visita eran propicias, pues los machos sólo emergen en bandada para aparearse durante una semana, al comienzo del período de lluvias. Para minimizar los daños a la plantación, los braceros de la finca iban por el campo capturando escarabajos. Pero uno de ellos empleaba una táctica muy particular. “Don Geraldo se sentaba en un sitio con sombra, se metía hembras en un bolsillo y se quedaba esperando que los machos se acercasen. Cuando lo hacían, él los recogía y los juntaba en un recipiente”, relata.
Al regresar a la Universidad Federal de Viçosa (UFV), en Minas Gerais, donde estudiaba, comenzó a trabajar en la identificación de la feromona de atracción sexual del escarabajo, bajo la supervisión de la profesora Terezinha Della Lucia y del profesor Evaldo Vilela, pioneros en los estudios de señales químicas en Brasil. “Luego de la extracción de la feromona del Migdolus, le remitimos las muestras al químico brasileño Walter Leal, que en esa época trabajaba en el Instituto Nacional de Sericultura y Ciencia Entomológica [Nises, según su sigla en inglés] en Japón, y allá, él logró identificar el compuesto natural y sintetizarlo”. Desde entonces, las plantaciones brasileñas lo utilizan para fabricar trampas. Como en ese entonces no se reclamó la propiedad intelectual de la innovación, la empresa japonesa que realizó la identificación y la síntesis, llamada Fuji Flavor, comenzó a producir la feromona sintética. Más tarde, esa misma empresa donó cierta cantidad de dinero para la construcción de la etapa inicial del edificio que albergaría los laboratorios e instalaciones del INCT en la Esalq, la institución sede de la red de investigación en ecología química que también integran la UFV y las universidades Federal de Paraná (UFPR) y Federal de Alagoas (Ufal). Su coordinador general es el profesor José Roberto Postali Parra, de la Esalq. Bento comanda un equipo compuesto por 25 personas, entre alumnos de iniciación científica, maestría, doctorado y posdoctorado, además de recibir investigadores de países tales como Colombia, Ecuador, España y Estados Unidos en sus laboratorios.
INFOGRAFÍA: ANA PAULA CAMPOS / ILUSTRACIÓN: ALEXANDRE AFFONSO
Las dos grandes líneas de investigación del INCT de Semioquímicos son la de obtención de nuevas feromonas de insectos y la de estudios sobre las sustancias volátiles de las plantas, que incluye a los compuestos químicos que éstas producen y sus interacciones con insectos nocivos para la agricultura y enemigos naturales. Una de las investigaciones recientes con volátiles vegetales resultó, después de una manipulación genética, en una planta repelente para la Diaphorina citri, un insecto del tamaño de un grano de arroz que chupa las ramas de los naranjos y es vector del greening, actualmente la más devastadora enfermedad de los cítricos, un grupo que abarca a las naranjas, limones, mandarinas y limas. En Asia se la denomina huanglongbing, o HLB, que, en chino, significa enfermedad del dragón amarillo, porque las hojas se amarillean. “Un compuesto repelente hallado en el guayabo fue insertado en los genes de un linaje de naranjos que se encuentra en fase de pruebas en una plantación en el Fondo de Defensa de la Citricultura, el Fundecitrus”, explica Bento. El inicio del descubrimiento se remonta a una visita realizada en 2004 por investigadores brasileños a países asiáticos productores de cítricos, una época en la que se descubrió que la plaga había llegado a Brasil. Como en Asia ya estaba difundida desde hacía algún tiempo, muchos productores plantaban guayabos intercalándolos con plantas de naranja, para sustituir a los cítricos.
“Durante las visitas a los huertos, los investigadores notaron que, en las áreas donde había guayabos, los naranjos no eran afectados por la enfermedad o transcurría un mayor tiempo antes de que se manifestase”, relata. Al darse cuenta, Bento, quien entonces trabajaba con sustancias volátiles de las plantas, se planteó la posibilidad de que liberasen algún compuesto químico que pudiera estar interfiriendo en el comportamiento del insecto en esa área. Estudiamos los volátiles de la guayaba y descubrimos que había un compuesto altamente repelente para la plaga de los cítricos”, dice. En colaboración con un grupo de investigadores del Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias, de España, ese gen fue superexpresado por medio de manipulación genética en los cítricos, que poseían ese compuesto, aunque en baja cantidad. Las plantas manipuladas genéticamente están siendo testeadas para evaluar si realmente repelen a los insectos. Como los cítricos son cultivos perennes, la investigación podría tardar una década hasta su culminación. Pero el potencial de la planta repelente, que ya fue patentada por el grupo de investigadores brasileños, españoles y por Fundecitrus, representa un gran avance en las estrategias para combatir a la plaga. Además del instituto de España, hay otras instituciones del exterior que colaboran en las investigaciones, tales como la Universidad de California en Davis y la Universidad Estadual de Pensilvania, ambas en Estados Unidos, el Instituto Max Planck, en Alemania, la Universidad de Neuchâtel, en Suiza, y recientemente se sumó la Universidad de Wageningen, en Holanda. Esas colaboraciones incluyen cooperación e intercambio de alumnos para su capacitación.
LÉO RAMOSOtra investigación con resultados prometedores, realizadas en conjunto con la UFPR, es la identificación de compuestos químicos presentes en las feromonas que secreta la polilla conocida como barrenador del tallo (Diatrea saccharalis), cuyas larvas causan daños en el interior del tallo de la planta. “Estamos a punto de comenzar con los test pre comerciales en campo, la etapa previa a su liberación para el productor”, dice Bento. En el caso del combate al barrenador del cafeto, la principal plaga que padece ese cultivo, los investigadores trabajan en dos vertientes: feromonas y sustancias volátiles de la planta. “Estamos en una fase bastante avanzada para la identificación de una sustancia atrayente para esta plaga, para la cual no se cuenta con un producto químico comercial que ayude a combatirla”. El único que había disponible en el mercado fue retirado debido a su alta toxicidad. También se están estudiando volátiles para combatir insectos que atacan el maíz y el tomate.
“La primera opción para combatir a las plagas siempre fue química, y ahora ofrecemos una alternativa viable desde el punto de vista ecológico, porque emplea los propios compuestos que tanto insectos como plantas producen, para controlarlos a través del comportamiento”, dice Bento. Más allá de los beneficios ambientales, esos compuestos también implican economía para el productor, tal como revela el ejemplo del monitoreo del bicho-furão o polilla del naranjo (Ecdytolopha aurantiana) mediante trampas, desde el inicio de los años 2000. Esa polilla deposita sus huevos en el fruto. Cuando eclosionan y salen las orugas, penetran en la naranja, que se pudre y cae. La pulverización química resulta insuficiente para combatir esa plaga. Durante su doctorado, dirigido por el profesor Parra en la Esalq, Bento identificó el compuesto presente en la feromona de esa polilla. “Le llevé el material al profesor Leal, en Japón, quien participó en esta otra investigación y realizó la identificación y síntesis del compuesto”, comenta.
EsalqExtracción de sustancias volátiles en plantas de maízEsalq
Actualmente se produce en Japón una pastilla con la feromona sintética y se envía a Brasil, donde la empresa Bug Agentes Biológicos, de Piracicaba, se ocupa de colocarla en trampas denominadas Ferocitrus, que luego son comercializadas entre los citricultores por Coopercitrus – Cooperativa de Productores Rurales. Consisten en una placa de cartón plegada en forma triangular, donde las paredes internas poseen una membrana adhesiva y pastillas que liberan feromonas. Los insectos machos que atraen se quedan pegados en ese dispositivo. Una trampa cubre un área de 10 hectáreas con unas 2 mil a 3 mil plantas. Si quedan atrapados entre 0 y 5 insectos, eso significa que no hay necesidad de ningún tipo de control. Entre 6 y 8 se debe aguardar una semana y evaluar si ese número se mantiene o no. Si el número pasa de 9, urge dar inicio al control químico. “Esa trampa es empleada actualmente por la mayoría de los citricultores brasileños y, por medio de esa sencilla tarea, se ha logrado una reducción del 50% en la aplicación de insecticidas”, comenta. La pérdida promedio actual con el uso de esta estrategia es de un fruto por planta. Antes llegaba hasta 350 frutos, lo cual representa un tercio de lo que produce una planta adulta.
La obtención de feromonas y sustancias volátiles requiere de una observación permanente del comportamiento de los insectos y de su interacción con las plantas. El ciclo comienza con la liberación de los aromas del vegetal que permiten a los insectos herbívoros localizarlos para alimentarse. Tan pronto se produce el ataque de los herbívoros, la planta emite automáticamente una respuesta, también en forma de aromas específicos y compuestos, predominantemente de la clase de los terpenos. Esos aromas atraen a otros insectos que son predadores o parásitos de los herbívoros. Para recolectar esas sustancias volátiles deben conocerse las horas específicas del día en que las producen. Uno de los estudios llevados a cabo en los laboratorios de la Esalq, por ejemplo, evaluó si la alimentación de la oruga del cogollero del maíz (Spodoptera frugiperda), una de las principales plagas de ese cultivo, induce, durante los períodos diurno y nocturno diferentes combinaciones de HIPVs (herbivore-induced plant volatiles, o volátiles de la planta inducidos por el herbívoro) y, si la avispa parasitoide Campoletis flavicincta resulta atraída por esos compuestos. “Comprobamos que induce diferentes composiciones de la mezcla de HIPVs en distintos períodos del día, principalmente alterando las proporciones de los compuestos de la mezcla”, dice la posdoctoranda Maria Fernanda Gomes Peñaflor, una de las autoras de la investigación publicada en la revista Journal of Pest Science, en marzo de 2012. “Esa modificación en la mezcla de HIPVs afecta la respuesta de la avispa, de manera tal que sólo es atraída por el compuesto liberado por la alimentación nocturna de la oruga”.
EsalqTrampa con feromonas para capturar polillas del naranjoEsalq
En el caso de las feromonas sexuales, es necesario prestar atención a los horarios de apareamiento, que generalmente ocurren al amanecer y al atardecer. “Son los horarios en que los machos y las hembras se sincronizan desde el punto de vista biológico”, dice Bento. Los aromas, que son señales químicas producidas por la hembra, sólo atraen a los machos de su misma especie y los producen en pequeña cantidad, si bien pueden ser detectados por los insectos desde largas distancias. “El viento propaga los compuestos por el aire y, cuando entran en contacto con las antenas del insecto se produce un reconocimiento enzimático de las moléculas químicas por medio de las sensilas (unas estructuras sensoriales presentes en las antenas). A partir de ahí, un impulso eléctrico en la antena viaja hasta el cerebro del insecto, que recibe el estímulo y responde a ese compuesto. La colecta de ese aroma en el laboratorio se efectúa en determinados horarios. Un chorro de aire puro y humedecido pasa sobre las hembras, debidamente dispuestas en estructuras de vidrio, que absorbe el aroma que ellas exhalan. Ese aroma queda retenido en un diminuto polímero absorbente (en ese proceso, las moléculas y los iones quedan retenidos en la superficie del material), que luego se lava con un solvente, en un proceso denominado elución, que permite extraer el compuesto químico producido.
La identificación del compuesto se realiza por medio de la técnica de cromatografía gaseosa, que separa los diferentes compuestos de la muestra con base en las características fisicoquímicas de cada uno, tales como masa molecular y polaridad. Luego de la separación, las sustancias pueden visualizarse en forma de picos en un cromatograma. Cuando se une la cromatografía gaseosa con otras técnicas de análisis, como por ejemplo, la espectrometría de masas, se puede determinar la estructura química de los compuestos. Para evaluar si el macho responde a alguna de ellas, se les extraen antenas a los insectos y se las acopla a electrodos, y luego se las analiza mediante un dispositivo denominado detector electroantenográfico. Las señales que emite la antena son estímulos eléctricos ante cada compuesto químico que aparece en el cromatógrafo. Una vez que las sensilas de la antena reconocen las moléculas químicas de interés, como en el ejemplo del aroma del compañero sexual, se produce un impulso eléctrico. “Esa señal se amplifica y compara con las moléculas que aparecen en el cromatógrafo y, de ese modo, logramos seleccionar el compuesto que interesa”.
Los investigadores consiguen determinar exactamente cuál es la sustancia ‒en aquella mezcla de compuestos químicos‒ a la cual el insecto responde. Una vez que la identifican, es sintetizada y se llevan a cabo las otras fases para llegar a la trampa y al manejo de insectos en el campo. Pocos centros en el mundo dominan esa técnica de identificación de compuestos químicos. “En algunos casos, de una única mezcla surgen entre 50 y 100 compuestos y el insecto tan sólo responde normalmente a una, dos o tres sustancias como máximo”, resalta.
Léo RamosUna polilla Diatraea saccharalis: en su fase larval ataca el tallo de la caña y causa daños a la plantaciónLéo Ramos
En el caso de las sustancias volátiles, el principio para su obtención e identificación de los compuestos es el mismo que se aplica con las feromonas. Se coloca a las plantas en cámaras de vidrio, para evitar la contaminación, por donde pasa un aire limpio y húmedo y se recogen los gases en polímeros minúsculos. Luego se realiza la elución de los componentes mediante solventes y se procede a su identificación. En esta etapa surgen diferencias entre las plantas atacadas por insectos y las que no recibieron su visita. Los compuestos producidos luego del ataque pueden sintetizarse y, de acuerdo con su finalidad, se los utiliza en la agricultura.
Uno de los estudios del comportamiento realizados en los laboratorios del INCT de Semioquímicos en la Esalq, condujo a un sorprendente descubrimiento: los insectos logran detectar el descenso en la presión atmosférica, que, en general, precede a lluvias y tormentas. Luego de la publicación del artículo en la revista PLoS ONE, esa noticia cobró repercusión internacional, siendo destacada en las revistas Nature y Science. “En los experimentos con insectos, notamos que a veces producían compuestos y otras no, incluso replicando todas las condiciones”, relata Bento. En los días en que ellos no respondían a los estímulos, los científicos se percataron que, pasadas unas horas del experimento, había tormentas o llovía mucho. Hasta ese momento, ningún grupo de investigación había estudiado el efecto de la presión atmosférica sobre el comportamiento general de los insectos. “La conclusión a la que arribamos fue que, ante un descenso de presión, los insectos suspendían sus actividades sexuales o emitían menor cantidad de feromonas sexuales y se apareaban poco, porque en la naturaleza ellos precisan anticiparse a los cambios en el clima y a los peligros que implican las tempestades como forma de reducir la mortalidad y garantizar la perpetuación de la especie”. Los estudios en condiciones naturales se realizaron en los laboratorios de Piracicaba y, para comprobar esa hipótesis, se hizo un trabajo en colaboración con investigadores de Canadá. “Allá manipulamos la presión atmosférica en una cámara barométrica, que ellos utilizan para realizar estudios con aves”. Las investigaciones se llevaron a cabo con tres órdenes distintos de insectos: Lepidoptera (mariposas), Coleoptera (escarabajos) y Hemiptera (pulgones, cigarras y chinches).
Proyecto
Bases tecnológicas para la identificación, síntesis y utilización de semioquímicos en la agricultura (nº 2008/57701-2); Modalidad Proyecto Temático – INCT; Investigador responsable José Roberto Postali Parra/ USP; Inversión R$ 1.261.009,47 y US$ 338.475,42 (FAPESP).
Artículos científicos
PELLEGRINO, A.C. et al. Weather forecasting by insects: modified sexual behaviour in response to atmospheric pressure changes. PLoS ONE. v. 8, e75004. 2 oct. 2013.
PEÑAFLOR, M.F.G.V. e BENTO, J.M.S. Herbivore-induced plant volatiles to enhance biological control in agriculture. Neotropical Entomology. v. 42, p. 331-43. ago. 2013.
