EDICIÓN Nº 131
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EDICIÓN Nº 131 Los insectos que afectan a las plantas Se han descripto recientemente casi un millón de especies de insectos en el planeta, de los cuales casi la mitad se alimentan de plantas. En los 400 millones de años de co-evolución entre plantas e insectos, los insectos han desarrollado diferentes estrategias de alimentación herbívora. A su vez, las plantas han co-evolucionado desarrollando numerosos mecanismos de defensa contra el ataque de los insectos. En la actualidad, se estima que las pérdidas en la producción agrícola debido al ataque de insectos, se encuentran entre un 20% y un 40% de las cosechas. Si bien existen métodos para el manejo integrado de plagas, hoy en día la biotecnología moderna tiene un papel fundamental en el desarrollo de nuevas tecnologías para hacer frente al ataque de las plantas por los insectos. Características de los insectos Los insectos son el grupo de animales invertebrados con mayor éxito en la Tierra. Se caracterizan por tener cuerpos segmentados que pueden estar fusionados a apéndices especializados para caminar, nadar, morder, masticar, beber y/o aparearse. Los diferentes segmentos forman la cabeza, el tórax y el abdomen. Los insectos también se destacan por la presencia de un caparazón externo denominado exoesqueleto que contiene quitina y protege a los insectos de sus depredadores y de la posible deshidratación. Los insectos terrestres respiran a través de unos conductos de aire llamados tráqueas. Estos tubos ventilan continuamente todos los segmentos del cuerpo y el flujo de aire se encuentra regulado por la apertura y cierre de poros presentes en el exoesqueleto, los espiráculos. El sistema circulatorio es abierto con un corazón del tipo tubular. La sangre es transportada por vasos sanguíneos que irrigan a todas las células, y retorna al corazón por medio de aberturas especializadas con válvulas. Los insectos poseen un sistema nervioso muy complejo que debe coordinar movimientos y actividades muy precisas como volar, aparearse en pleno vuelo o construir telarañas. A lo largo de su ciclo de vida, la mayoría de los insectos atraviesan por diferentes estadios. Los distintos cambios conforman un proceso denominado metamorfosis. De acuerdo al tipo de insecto, la metamorfosis puede ser completa o incompleta (Figura 1). Por ejemplo, el saltamontes tiene transformaciones incompletas ya que pasa por varios estadios hasta transformarse en adulto, sin pasar por una etapa de inactividad o una etapa donde deja de alimentarse. En las diferentes etapas, los saltamontes se parecen al adulto con la diferencia que en los estadios tempranos no posee alas, y cambian las proporciones del cuerpo. Sin embargo, cerca del 90% de los insectos tiene una metamorfosis completa. En este caso, los adultos son radicalmente diferentes a sus formas larvarias. Además presentan estadios de inactividad donde dejan de comer y el insecto se inmoviliza pasando por una etapa de crisálida. Durante este período, la larva sufre una reorganización morfológica y fisiológica completa para dar "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 origen al insecto adulto. Los insectos que atraviesan este tipo de metamorfosis presentan cuatro formas diferentes a lo largo de su ciclo biológico: huevo, larva, crisálida (o pupa) y adulto. Figura 1: Esquema de la metamorfosis completa de una mariposa (izquierda) y de la metamorfosis incompleta de una langosta (derecha). Fuente: www.deza.admin.ch/ressources/resource_es_97820.pdf Tipos de insectos Existen diversos grupos de insectos que afectan y atacan a las plantas (figura 2), entre ellos: - Los Coleópteros: comprende a escarabajos y gorgojos y corresponde al orden más grande en el reino animal (representan el 40% de los insectos). La mayoría de ellos viven en el suelo y tienen hábitos nocturnos. Tienen diversas formas y tamaños y son de color marrón o negro, aunque puede haber algunos de color metálico. Una de las características más importante y destacada de este grupo es que, si bien poseen dos pares de alas, el primer par se encuentran endurecido formando los élitros. Estas estructuras protegen al primer par de alas membranosas que son responsables del vuelo. Algunos Coléopteros son insectos controladores, como la mariquita (Coccinella septempunctata), mientras que otros son insectos-plaga (por ejemplo los pertenecientes al género Diabrotica). - Los Lepidópteros: es el segundo grupo más importante de insectos. Incluye a las polillas que se desplazan de noche y las mariposas que vuelan de día. Se caracterizan por la presencia de dos pares de alas membranosas grandes y ojos compuestos. La mayoría de los insectos de este grupo son insectos plaga. Tanto los individuos adultos como las larvas devoran hojas, flores y frutos, y producen importantes pérdidas económicas a la agricultura. Un ejemplo de insecto de este grupo es el barrenador del tallo (Diatraea saccharalis, figura 2d). En su estadio larvario o de oruga se puede alimentar de hojas y tallos de la planta de maíz produciendo galerías dentro de los tallos. Estas galerías destruyen los haces vasculares de la planta provocando una pérdida en el rendimiento. Además, indirectamente, esto produce un debilitamiento de la planta que puede causar que los tallos se quiebren. - Los Dípteros: a este grupo pertenecen las moscas y los mosquitos. Se caracterizan porque sus alas posteriores, llamadas halterios, se han reducido de tal manera que sólo poseen un par de alas "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 membranosas verdaderas. Los halterios les sirven a estos individuos para darle dirección y estabilidad durante el vuelo. Al igual que los Lepidópteros, estos organismos poseen ojos compuestos. Si bien la mayoría son controladores biológicos o insectos benéficos (mosca Archytas marmoratus, usada en la caña de azúcar), existen algunos que son insectos plaga, como la mosca de la fruta o mosca del Mediterráneo (Ceratitis capitata). Esta mosca, debido a su gran adaptabilidad y a su amplio rango de plantas a las que puede atacar (cítricos, principalmente naranjas y mandarinas, frutos de carozo, frutos de pepita, y otros cultivos), es una de las plagas más destructivas del mundo. Las moscas adultas son de color amarrillo, blanco y negro, y miden entre 4 y 5 mm de longitud. Por lo general, las hembras adultas depositan sus huevos en las frutas y una vez que nacen se alimentan de la pulpa del fruto causando su descomposición. - Los Sternorrhyncha: incluye a las moscas blancas (figura 2c), los pulgones y cochinillas. Figura 2: a) Representación esquemática: filogenia de insectos (Hogenhout & Bos, 2011) b) Polilla de dorso de diamante (Plutella xylostella) en su estadio de oruga. c) Mosca blanca. d) Chinche verde (Piezodorus lituratus). e) Barrenador del tallo (Diatraea saccharalis) en su estadío de polilla. Fuente: www.plantwise.org. Estrategias de alimentación de los insectos Conocer las diferentes formas en que los insectos se alimentan de las plantas permite desarrollar controles y estrategias de combate. De acuerdo con la fisiología y la morfología de sus piezas bucales, las estrategias de alimentación pueden variar significativamente. Los insectos herbívoros se pueden alimentar de hojas, tallos, frutos, raíces, granos e, incluso, de savia y néctar. Según los hábitos alimenticios de los insectos, se los agrupa en masticadores, chupadores, minadores y barrenadores. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 La mayoría de los individuos pertenece al grupo de los masticadores y presenta aparatos bucales con mandíbulas y maxilas adaptadas para cortar y triturar hojas y otras partes vegetales. En general, los daños causados por estos insectos se observan en los márgenes de las hojas ya que se encuentran rotos o desiguales. Algunos ejemplos de este grupo son los escarabajos y sus larvas, los gusanos de seda, las larvas de algunas polillas (orugas) y los grillos. Otro grupo importante son los insectos chupadores, que insertan un tipo de trompa o pico (probóscide) en los tejidos de las hojas, tallos, brotes, flores o frutos y chupan los jugos de la planta (savia o néctar). Este aparato bucal está adaptado solo a la ingestión de alimentos líquidos o alimentos que pueden disolverse con la saliva. Algunos ejemplos de insectos chupadores son los áfidos (pulgones), las chinches y las moscas de la fruta. Un reducido número de especies se agrupan en lo que comúnmente se llaman insectos minadores. Estos insectos son lo suficientemente pequeños como para alojarse y encontrar sitios confortables y con abundancia de alimentos entre ambas epidermis de las hojas. Dado que se alojan dentro de los tejidos vegetales, muchas veces los pesticidas no logran hacer su efecto y, como consecuencia, son plagas difíciles de combatir. Por último, se encuentra el grupo de los barrenadores. Estos organismos son insectos que durante su etapa larval o de adulto pasan gran parte del tiempo alimentándose en algún lugar debajo de la corteza de un árbol o taladrando el tallo de una planta. Pueden comer el interior de troncos, ramas, tallos o frutos haciendo grandes galerías en su interior. Algunos ejemplos de este tipo de individuos son los escarabajos, las termitas y las larvas de la polilla Diatraea saccharalis. Mecanismos de defensa de las plantas A lo largo de los años las plantas han desarrollado una gran variedad de barreras de defensa, constitutivas e inducibles, para reducir el daño por el ataque de los insectos. Estas estrategias incluyen tanto barreras físicas (capas de cera, cutícula vegetal, tricomas y espinas) como barreras moleculares (metabolitos secundarios y proteínas). Las barreras físicas de mayor importancia son: Pared celular: las células vegetales tienen una pared celular que contiene, en muchos casos, una sustancia llamada lignina. La lignina es el compuesto mayoritario en la madera y en muchas paredes celulares. La lignina actúa como una barrera de defensa dificultando el ataque de insectos masticadores. Sustancias grasas: muchas veces se observan plantas con hojas brillosas. Estas hojas poseen sustancias grasas como la cutina, la suberina y las ceras que se depositan en la pared vegetal promoviendo la inhibición de la alimentación y de la oviposición de ciertos insectos. Tricomas: son células de la epidermis que se encuentran en la parte aérea de las plantas. Se especializan en la protección física y química contra organismos herbívoros. Por ejemplo, los tricomas de las plantas de soja (Glycine max) evitan que los huevos de insectos alcancen la epidermis de las hojas y, como consecuencia, una vez que las larvas nacen, se mueren de hambre ya que no tienen alimento disponible. Los tricomas con forma de garfio de las plantas de chauchas (Phaseolis vulgaris) atraviesan los cuerpos de las orugas a medida que se mueven en la superficie "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 de la hoja. También existen tricomas glandulares en las plantas de tomate y papa que secretan aceites capaces de repeler afídos y otros insectos. Espinas: son hojas modificadas que actúan como barrera física frente al ataque de insecto herbívoro. Resinas: se producen en la corteza de los árboles y evitan el ataque de ciertos insectos barrenadores que atacan la corteza. Además de las barreras físicas, las plantas tienen mecanismos de defensas que como respuesta final producen compuestos tóxicos, repelentes o anti-digestivos para los insectos. Estos mecanismos se encuentran altamente regulados y son inducidos cuando la planta es atacada. En primer lugar, las plantas deben ser capaces de distinguir las heridas producidas por daños mecánicos de las heridas generadas por el ataque de insectos herbívoros. Se cree que las células vegetales han evolucionado desarrollando la habilidad de percibir patrones y moléculas sintetizadas por los insectos. Hasta el día de hoy estos compuestos se clasifican en dos grupos distintos: 1) elicitores químicos provenientes de las secreciones orales o de los fluidos de la oviposición 2) sustancias originadas a partir de patrones de daño específico. Una vez que las plantas detectan que están siendo atacadas por insectos, reconfiguran rápidamente su metabolismo induciendo una cascada de señales que terminan en la síntesis de diversos compuestos de defensa. Entre los cambios celulares que se producen cabe destacar la incorporación de iones calcio al medio intracelular, la activación de proteínas quinasas, la producción de especias reactivas del oxígeno y del nitrógeno y el aumento en la concentración de ciertas hormonas vegetales (etileno, ácido jasmónico y ácido salicílico; ver Cuaderno nº 128). Una de las defensas moleculares más importantes es la síntesis de pequeñas proteínas llamadas inhibidores de proteinasas (IPs). Estas proteínas, al ser comidas, inhiben las proteinasas que se encuentran en el aparato digestivo del insecto. Esto produce una severa deficiencia de aminoácidos que afecta de forma negativa el crecimiento y desarrollo del organismo. Sin embargo, muchas veces, esta barrera de defensa puede ser bloqueada por el insecto al producir enzimas que inhiben la función de las proteínas IPs. Las plantas también producen metabolitos secundarios que juegan un rol importante en la defensa contra el ataque de insectos herbívoros. Numerosos estudios han demostrado que las plantas sintetizan una gran variedad de pequeñas moléculas con efectos tóxicos o antinutritivos para los insectos. Algunos de estos compuestos con características defensivas e insecticidas son alcaloides, terpenoides, taninos, saponinas y glucosinolatos. Todos estos cambios fisiológicos y moleculares también se producen en otras partes de la planta que no fueron atacadas. En estas áreas los mecanismos de defensa se desencadenan de forma preventiva por cualquier posible ataque o daño. También se puede gatillar una segunda barrera de protección indirecta que involucra la producción de compuestos volátiles y de néctar extrafloral para atraer a organismos predadores que se alimentan de los insectos no benéficos. Consecuencias del ataque de insectos en las plantas Muchas veces los daños que producen los insectos en las plantas pueden ayudar a identificar el tipo de plaga que las está afectando. En general estos daños dependen del tipo de alimentación del "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 insecto. Como se comentó previamente, estos organismos pueden atacar y dañar hojas, tallos, raíces, flores, frutos, semillas y hasta tejidos internos. Las consecuencias del ataque de insectos en las plantas varían según la severidad del daño y según la estructura vegetal afectada. Tanto plantas, como árboles y arbustos pueden ser atacados en las diversas estructuras que presentan sus follajes. Muchos organismos masticadores y minadores dañan a las plantas mediante la defoliación y la alimentación de sus hojas. Los daños que se producen pueden ser muy diversos (figura 3 a y b), pero las consecuencias son muy similares. Por ejemplo, la reducción de la capacidad de realizar la fotosíntesis (ver Cuaderno n° 106), la alteración de los procesos de transpiración, la disminución en el transporte de nutrientes, el retardo en el crecimiento y finalmente la posible muerte de la planta. Por ejemplo, la Diabrotica speciosa adulta se alimenta de hojas de numerosos cultivos como el maíz, la soja, la alfalfa y el girasol reduciendo significativamente la producción de estos cultivares. También hay insectos masticadores que cortan pedazos de hojas y producen pequeñas perforaciones en la lámina foliar de árboles y arbustos. Además ciertos organismos pueden perforar troncos y ramas de árboles interfiriendo con el flujo de la savia y debilitando su estructura. Los insectos barrenadores y chupadores dañan preferentemente estructuras internas de las plantas. Los chupadores se alimentan de la savia de las hojas, las vainas y los tallos. Estos individuos no hacen huecos en las hojas, pero en general producen su decaimiento y un color amarillamiento. Los insectos barrenadores, como las larvas de Diatraea saccharalis, penetran los tallos de ciertas plantas (como maíz y sorgo) y construyen galerías que producen la disminución del rendimiento del cultivo (figura n° 3 c). Estas galerías dañan negativamente los haces vasculares y producen una disminución en la conducción de nutrientes y en la estructura y rigidez de los tallos. El efecto indirecto es el quiebre de las plantas debido al debilitamiento de los tallos. En el caso de los barrenadores de los árboles, las consecuencias son similares. Aquellos barrenadores que sólo comen la corteza externa solo producen un daño de tipo estructural. Sin embargo, los barrenadores que se alimentan de la corteza interna y del cambium, al destruir partes vitales de los árboles, los terminan matando rápidamente. Los insectos barrenadores y chupadores también son transmisores (vectores) de varias enfermedades que afectan a las plantas, especialmente de varias especies de virus y bacterias. Además, los daños que producen son una vía de entrada para hongos y otros patógenos. Por últimos, están los insectos que afectan y dañan las flores, los frutos y las semillas de ciertas plantas, y las destruyen por completo para consumir su tejido interno. Frecuentemente, este tipo de daños conlleva a la descomposición y a la caída prematura de flores y frutos, disminuyendo el potencial reproductivo. Un ejemplo de este tipo de insectos es la mosca de la fruta o del Mediterráneo (figura 3d). "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 Figura 3: Consecuencias del ataque de insectos en las plantas. a) Hoja de la planta de algodón atacada por insectos masticadores y minadores (flecha) (foto de C. Mares) b) Ataque de insectos masticadores que comen tejido foliar desde afuera (Arguedas, 2006). c) Galería producida en el tallo de maíz como consecuencia del ataque de la larva de Diatraea saccharalis (foto Fava et. al, 2004). d) Larvas de la mosca de la fruta atacando una naranja en descomposición. Controles en la agricultura Frente a la amenaza que representan los insectos para la agricultura, el ser humano ha desarrollado numerosas estrategias de control, prevención y defensa de los cultivos. Las técnicas más utilizadas van desde el manejo tradicional del control de plagas hasta el desarrollo de plantas resistentes a insectos por técnicas de ingeniería genética (ver Cuadernos nº 2, 4, 67). Algunas de las metodologías que hoy en día se ponen en práctica para combatir el ataque de insectos en las plantas son las siguientes: Manejo tradicional A lo largo de la historia de la agricultura el hombre ha desarrollado diversos métodos para enfrentar las plagas que afectan a los cultivos. Comúnmente este tipo de métodos se denominan “manejo integrado de plagas” e incluyen el control preventivo, el control manual o mecánico, el control biológico y el control químico. El manejo preventivo, también llamado manejo cultural, consiste en manipular el campo para hacerlo menos favorable a la aparición y supervivencia de plagas mediante la preparación del terreno, el buen manejo de malezas, la planificación de la época de siembra y de riego, y la rotación de cultivos. De esta manera se trata de destruir los reservorios de poblaciones de insectos antes y después de sembrar. Además, esta práctica interrumpe los movimientos de las "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 plagas y hace más vigorosa a la planta de forma que pueda resistir el ataque de estos organismos y evita fechas de plantación que sean favorables para el desarrollo de los insectos. El manejo mecánico es uno de los controles más difíciles de realizar, sobre todo si el área productiva es muy extensa. Consiste en la remoción de una plaga, con la mano o con alguna herramienta, en sus estados de huevo, de larva o de adulto. Además se intenta retirar del campo las plantas enfermas o las partes vegetales afectadas por los insectos. Esta estrategia se implementa especialmente en cultivos de café y plátanos, y es muy eficiente aunque es altamente intensiva en mano de obra y muy costosa. Otro control tradicional emplea otros organismos vivos para enfrentar a las plagas. Se llama control biológico y utiliza insectos beneficiosos que se alimentan o completan su ciclo de vida a costa de otros insectos. Existen los insectos benéficos depredadores y los parasitoides. Los benéficos depredadores se alimentan directamente de un insecto (como las mariquitas o las baquitas de San Antonio que se alimentan de pulgones). Los parasitoides se alojan dentro de un insecto y lo comen hasta matarlo. El control biológico incluye otras metodologías como es el uso de insecticidas biológicos, que tienen como principal agente activo a un microorganismo o a un derivado de él. En general los plaguicidas biológicos causan enfermedades en los insectos o los matan mediante la liberación de compuestos tóxicos. El ejemplo más conocido es el uso de la bacterias Bacillus thuringiensis (Bt). Esta bacteria es utilizada como insecticida microbiano ya que se caracteriza por la producción de proteínas cristalinas (proteínas Cry) que matan de forma selectiva a un grupo específicos de insectos. Este insecticida se presenta como formulados vivos en agua, en aceite emulsionantes o en polvos. Al aplicar las bacterias al cultivo, éstas quedan sobre la superficie de la planta y son ingeridas por los insectos que comen el follaje. Una vez dentro del sistema digestivo, las bacterias liberan las toxinas Cry que se activan y se adhieren al epitelio intestinal. Esto provoca la parálisis del sistema digestivo del insecto, que deja de alimentarse y muere a los pocos días. La aplicación de las bacterias, vía aérea o terrestre, tiene su máxima eficacia contra larvas jóvenes de insectos. Esta bacteria es inofensiva para el hombre, mamíferos y otros animales como pájaros. Por último se encuentra el control químico, que utiliza productos sintéticos para combatir el ataque de plagas. Los plaguicidas sintéticos son elaborados a través de un proceso de síntesis química y usualmente son mezclas o formulaciones de varias sustancias que desempeñan funciones específicas. Los insecticidas químicos son poco selectivos y afectan por igual tanto a plagas como a insectos benéficos. Además se pueden acumular en el medio ambiente por mucho tiempo y puede afectar a otras especies no blanco (otros animales, hombre, etc.). Biotecnología y resistencia a insectos Durante los últimos años, el hombre ha venido desarrollando diversas estrategias biotecnológicas que han permitido el menor uso de insecticidas, la disminución en los costos de producción, y mayores beneficios para el ambiente y para la salud de productores y consumidores. Si bien se han obtenido unas 100 especies vegetales genéticamente modificadas resistentes a insectos, sólo se han aprobado unas pocas (ver Cuadernos n° 26, 99 y 111). La estrategia biotecnológica más ampliamente usada y comercializada para el desarrollo de cultivos resistentes a insectos es la tecnología Bt. Esta tecnología se basa en la expresión de genes derivados de la bacteria Bacillus thuringiensis que codifican toxinas específicas para ciertos tipos "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 de insectos (lepidópteros y/o coleópteros). Como se explicó anteriormente, estas toxinas denominadas proteínas Cry se activan en el sistema digestivo del insecto, se adhieren a su epitelio intestinal y provocan la parálisis de su sistema digestivo. Esto trae como consecuencia la indigestión del organismo, quien deja de alimentarse y muere a los pocos días. Mediante técnicas de ingeniería genética se ha podido desarrollar plantas que expresan estas toxinas en sus propios tejidos a partir de los cuales se alimentan los insectos. El primer cultivo transgénico resistente a insectos fue un maíz Bt que expresaba una proteína Cry (Cry1A (b)) que le confería resistencia a lepidópteros, en especial a las larvas de la polilla Diatraea saccharalis. Actualmente, se han aprobado otros cultivos resistentes a insectos que expresan otras toxinas Cry que permiten ampliar el espectro de control de muchas otras plagas. Además del maíz, se han aprobado plantas transgénicas Bt de algodón, papa, batata, arroz y árboles de álamo. También se han identificado otras toxinas producidas por la bacteria Bacillus thuringiensis que presentan actividad insecticida. Estas proteínas se denominan Cyt y VIP (proteínas insecticidas vegetativas). Las primeras se producen durante la esporulación de la bacteria y las segundas durante su crecimiento. Hasta el momento, no hay eventos comerciales de ambas toxinas. Existen otros genes identificados que se pueden utilizar como posibles fuentes para la generación de resistencia contra insectos. Son genes que codifican para inhibidores de proteasas (IP), proteínas de origen vegetal que presentan resistencia a una amplia gama de insectos (lepidópteros, coleópteros y dípteros). Como se explicó anteriormente, las proteínas IPs son parte del sistema de defensa de las plantas y actúan interfiriendo con el proceso digestivo de los insectos susceptibles afectando su crecimiento y desarrollo. El primer ejemplo desarrollado para estas proteínas fue un arroz genéticamente modificado que expresaba genes inhibidores de tripsina proveniente de la planta de caupí. Si bien hasta el momento no se han aprobado ninguna planta con genes IP, se han transformado varias especies vegetales (arroz, tabaco, tomate y colza). El principal motivo del fracaso en el desarrollo de estas plantas es que se ha observado que estas proteínas no siempre actúan efectivamente como sustancias antinutritivas y muchas veces sus efectos son menores respecto de las proteínas Bt. Finalmente, se han encontrado otros genes de resistencia a insectos de origen vegetal que actúan en los mecanismos de defensa de las plantas frente al ataque de insectos. Entre ellos, los inhibidores de alfa amilasas y lectinas de ciertas legumbres. La toxicidad de las alfa amilasas ocurre mediante la inhibición de la digestión de hidratos de carbono y la toxicidad de las lectinas es mediante la interacción con glicoproteínas intestinales del insecto. Al igual que los inhibidores de proteasas, hasta el día de hoy no hay cultivares genéticamente aprobados que expresen esas proteínas. Refugios y cultivos Bt Los cultivos Bt desarrollados para el control de plagas han sido un éxito en la agricultura. Sin embargo, su eficacia se ve reducida cuando los insectos generan resistencia (ver figura 4). Es por eso que siempre se debe considerar la aplicación de refugios dentro de los cultivares. Los refugios son una pequeña área del campo donde se siembra un pequeño porcentaje del cultivo no Bt. Estas zonas proveen las condiciones óptimas para la supervivencia y el desarrollo de insectos susceptibles a las plantas Bt. De esta manera se evita la aparición de insectos resistentes ya que se “diluyen” por cruzamiento y reproducción con individuos susceptibles. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 Figura 4: Aparición de individuos resistentes a insecticidas y/o cultivos Bt. Otra estrategia para evitar la aparición de individuos resistentes es el apilamiento de genes. En este caso la planta expresa dos toxinas que tienen como blanco a un mismo tipo de insecto. Se ha demostrado que la acción combinada de varios genes que codifican proteínas tóxicas resulta en un aumento en los niveles de resistencia comparado a lo esperado por el aporte de cada uno de ellos por separado. Esto se puede aplicar tanto a genes Bt como a genes que codifican otras proteínas con actividad insecticida. CONSIDERACIONES METODOLÓGICAS Este Cuaderno aborda diferentes conceptos que se puede trabajar en clase en los diferentes niveles de la educación, además del relativo específicamente a los mecanismos de defensa de las plantas y la intervención de la biotecnología. Uno de los primeros conceptos se vincula con el proceso de la evolución y co-evolución. En este punto es importante siempre tener en cuenta que el desarrollo de mecanismos para hacer frente a diferentes condiciones ambientales, ya sea el ataque de insectos, como la sequía o la adaptación a las temperaturas, no implican una “estrategia” voluntaria de cambio como respuesta a las condiciones ambientales, sino un largo proceso de cambio basado en cambios genéticos naturales y casuales, que favorecen la supervivencia del organismo portador de esa característica y, por lo tanto, la continuidad y transmisión de ese rasgo a futuras generaciones. Básicamente, se trata de analizar los diferentes procesos biológicos bajo la mirada de la teoría de la evolución de Darwin. La biotecnología moderna (mediante técnicas de ingeniería genética), se basa en el conocimiento de esos mecanismos biológicos para lograr en menos tiempo y de manera controlada las modificaciones que hacen posible la adaptación y la supervivencia de las especies afectadas. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 Este texto permite trabajar en clase la clasificación de los animales. Los insectos son los animales más predominantes en el Reino animal y es interesante analizar las características adaptativas que les permiten sobrevivir en su entorno, los mecanismos de defensa, la nutrición, la respiración, la circulación, su ciclo de vida y su alimentación. Al igual que en el comentario anterior, es fundamental hacer hincapié con los alumnos en el hecho que las diferentes estrategias de alimentación y los órganos que tienen estos organismos, no son una “respuesta a” los alimentos sino que se trata de un mecanismo de adaptación y evolución a largo plazo, basado en los cambios y en la selección natural (Darwin). Justamente es el tema de la alimentación el que vincula a estos organismos con las técnicas de ingeniería genética aplicadas con el fin de lograr un efecto insecticida sin daño al ambiente y a otros organismos. Si bien los organismos tienen sus propios mecanismos de defensa contra agentes extraños, ya sean barreras físicas como mecanismos fisiológicos, en ocasiones no resultan suficientes y el daño puede ser importante, como es el caso de las cosechas atacadas por plagas y las pérdidas que esto provoca a la actividad humana. Como se menciona en el texto, los métodos para enfrentar las plagas no son nuevos y se han desarrollado a lo largo de los miles de años que lleva la agricultura. Este punto es importante ya que, en ocasiones, se le adjudica a la biotecnología moderna y a la ingeniería genética procesos de cambio y efectos que, en realidad, son propios de la agricultura tradicional y llevan cientos de años de aplicación, mucho antes de la intervención de la biotecnología moderna. En este ejemplo del control de plagas que atacan a las plantas, los mecanismos de manejo preventivo, manejo mecánico y control biológico, hacen uso de los propios recursos naturales para tratar el problema de las pérdidas de la vegetación. El control químico, por su parte, usa productos sintéticos que pueden tener un efecto nocivo si no se emplean de manera adecuada. Estos son mecanismos tradicionales, que no emplea técnicas de ingeniería genética. Este es un punto interesante ya que suele confundirse el uso de microorganismos o de sus productos, así como la hibridación en plantas con técnicas de ingeniería genética. La agricultura tradicional, empleada hace miles de años, también produce cambios genéticos pero de manera más azarosa y menos controlada. Un aspecto que es importante trabajar en el aula con los alumnos es que la biotecnología moderna hace uso también de los recursos biológicos y naturales existentes, pero el mecanismo para lograr los resultados es más rápido y seguro. Por ejemplo, en lugar de aplicar un insecticida con bacterias Bacillus thuringiensis (Bt) rociando el campo, la biotecnología moderna permite modificar de forma precisa, específica y controlada a las propias plantas para que ellas mismas desarrollen la función insecticida, y esto evita el uso de insecticidas de forma masiva, evitando así el daño ambiental y de otras especies no específicas. La biotecnología emplea los mismos recursos naturales, como son los propios genes de los seres vivos, para transmitir las características deseadas a los seres vivos de interés. Estos mismos mecanismos que se pueden emplear para conferir resistencia a las plantas frente a los insectos, se aplica para lograr cultivos resistentes a condiciones adversas como sequías, temperaturas muy elevadas o muy bajas, o para aportar mayor valor nutritivo o mayor rendimiento a diferentes cultivos. A diferencia de los métodos tradicionales de manejo de los cultivos, la ventaja de la "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 biotecnología es que el producto es controlado, y evita un efecto inespecífico sobre otras especies que no son el objetivo. Por lo tanto, el tema trabajado en este Cuaderno referido a la biotecnología aplicada al manejo de plagas mediante la modificación genética de los cultivos afectados, puede ser un ejemplo de las diferentes aplicaciones específicas y controladas de la biotecnología, que benefician no sólo al productor o al consumidor, sino que tienen un efecto más amigable con el medio ambiente. ACTIVIDADES Actividad 1. Completar la figura y repasar conceptos 1. Completar el tipo de insecto según su alimentación (puntos 1 y 2). 2. Enumerar 4 mecanismos de defensa de las plantas. 3. Explicar cada unos de ellos y cual elegiría para una estrategia biotecnológica. Figura 5: Completar la figura Respuestas Figura 5: Figura completa "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 3. 1. Producción de alcaloides: Estos son metabolitos secundarios que la planta produce frente al ataque de insectos. Son compuestos volátiles que tienen propiedades tóxicas una vez que son ingeridos. 2. Presencia de sustancias grasas: los compuestos como la cutina y las ceras son sustancias repelentes que evitan la puesta de huevos por parte de los insectos. Además tienen propiedades antinutritivas que promueven la inhibición de la alimentación de estos organismos. 3. Síntesis de proteínas IP: Son proteínas que inhiben a las enzimas que tienen los insectos en el intestino (proteasas) y que son indispensables para la digestión de proteínas. Al no poder degradar las proteínas, el insecto tiene una deficiencia en aminoácidos que impide su desarrollo. 4. Presencia de tricomas: son células especializadas en la epidermis de las hojas que tienen la función de proteger a las plantas del ataque de larvas de insectos. Muchas de estas estructuras tienen forma de garfio que permite que las orugas queden enganchadas en las mismas a medida que se mueven por la superficie de la hoja. Una estrategia biotecnológica que utilizase un mecanismo de defensa de las plantas podría ser la sobre expresión de genes que codifican enzimas involucradas en la síntesis de compuestos alcaloides o de genes que codifiquen nuevas proteínas IP. Actividad 2. Análisis de texto Leer y analizar el texto publicado el 12-08-2010 en la Sección Novedades del sitio de ArgenBio (www.argenbio.org). Luego responder a las siguientes preguntas. “Genes de papa protegen al algodón de los insectos” Según investigadores australianos, ciertas plantas, como la papa y el tabaco, poseen genes que pueden servir para proteger al algodón del ataque de insectos. Marilyn Anderson y sus colegas de la Universidad de La Trobe, en Melbourne, acaban de publicar un artículo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, donde describen el potencial de los inhibidores de proteasas de controlar ciertos insectos. "Todas las plantas tienen estos inhibidores de proteasas. Forman parte de su mecanismo de protección natural contra el ataque de los insectos. Queríamos ver si podíamos usar los genes de inhibidores de proteasas para proteger al algodón", explicó Anderson. En trabajos anteriores se había encontrado que las flores de las plantas solanáceas, como la papa y el tabaco, fabrican en altos niveles ciertos productos químicos que son tóxicos a las plagas. Estos compuestos, llamados inhibidores de proteasas (IP), inhiben a las enzimas que tienen las larvas en el intestino, las proteasas, y que son indispensables para la digestión de proteínas. Hace tiempo que los científicos están intentando introducir los genes de inhibidores de proteasas de tabaco en el algodón, con el objetivo de disminuir el ataque de las larvas, y así reducir el uso de insecticidas. Pero según Anderson, sus estudios demostraban que si bien al principio el ataque de las plagas disminuía, luego las larvas se adaptaban. Ahora, ella y su equipo dicen haber descubierto cómo evitar esta adaptación y poder usar los genes de IP como una herramienta efectiva en el control de insectos. Según los investigadores, al cabo de un tiempo, las larvas que atacaban al algodón empezaban a producir proteasas que no eran afectadas por las IP de tabaco. "Las larvas encendían genes para nuevas proteasas resistentes a los IP," explica Anderson. Entonces ella decidió estudiar estos genes nuevos, y analizar la estructura de las proteasas resistentes, en detalle. Luego buscaron IPs capaces de inhibir estas nuevas proteasas, y las encontraron, en las hojas de la planta de papa. Anderson y su equipo probó entonces transformar plantas de algodón con el gen de tabaco, con el de papa, o con ambos al mismo tiempo, y estudió el desempeño de las plantas transformadas. "Vimos que las plantas que tenían ambos genes de IP eran mejores, señala Anderson. Según la investigadora, los estudios a campo realizados en Queensland mostraron que los dos genes juntos aumentan el rendimiento del algodón en un 21%, mientras que con los genes de tabaco anteriores no mostraban un efecto sobre el rendimiento. La idea además es combinar estos genes con los Bt que se usan actualmente para controlar los lepidópteros en algodón. Según otros investigadores australianos, aunque es necesario hacer más estudios para demostrar el potencial de estos genes para proteger al algodón de los insectos, la posibilidad de usarlos juntos, e incluso combinados con los genes Bt, es muy interesante. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 Responder las siguientes preguntas: a) ¿Cuál fue la estrategia de los autores para generar resistencia a insectos en plantas de algodón? b) ¿Cuál fue el problema que los investigadores encontraron en su estrategia? c) ¿Cuál fue la solución? d) ¿Qué otra estrategia le podría aconsejar a los investigadores para evitar la aparición de individuos resistentes? Respuestas a) La estrategia fue introducir en las plantas de algodón genes de inhibidores de proteasas de tabaco, con el objetivo de disminuir el ataque de larvas de insectos y el uso de insecticidas. b) El problema con el que se encontraron los investigadores fue la aparición de insectos resistentes. Después de haber transcurrido un cierto tiempo las larvas se adaptaban y no eran susceptibles a la acción de las proteínas IP. Según los investigadores, los insectos que atacaban al algodón empezaban a producir proteasas que no eran degradadas por las IP de tabaco. c) La solución fue buscar nuevas IPs capaces de inhibir estas nuevas proteasas. La estrategia fue el apilamiento de genes. Los investigadores probaron generar plantas de algodón con el gen de tabaco, con el de papa y con ambos al mismo tiempo. Luego observaron que las plantas que tenían ambos genes de IP eran mejores y que aumentan el rendimiento del algodón en un 21%. d) Otra estrategia podría ser sembrar áreas de refugios para evitar la aparición de insectos resistentes. Además como ellos bien lo proponen, se podría combinar y apilar con genes Bt que actualmente se usan para controlar lepidópteros en algodón. Actividad 3. Analizando como ingenieros agrónomos. 1. Observar la siguiente figura, analizar y responder. Figura 6: Campo en el norte de la provincia de Buenos Aires sembrado con maíz. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 a) ¿Qué diferencias observa entre las plantas de maíz de la izquierda y de la derecha? b) ¿Qué zona correspondería a maíces Bt y que zona correspondería a maíces convencionales? c) ¿Qué posible plaga los ha afectado de tal manera de quebrar sus tallos? Explique. d) ¿Qué otras estrategias tradicionales se podría llegar a usar para combatir esta plaga? Respuestas a) Los maíces del campo de la derecha se encuentran todos caídos con sus tallos quebrantados sin mazorcas (choclos) por cosechar. Esta zona del campo seguramente fue atacada por alguna plaga de insectos. En cambio los maíces de la izquierda, si bien están también secos y listos para ser cosechadas, son plantas erguidas y vigorosas que han podido desarrollarse y producir granos. b) La zona de la izquierda correspondería a maíces Bt y la de la derecha a maíces convencionales. c) La plaga que seguramente atacó a los maíces del campo de la derecha corresponde a insectos barrenadores. Una de las plagas de insectos barrenadores más importantes son las larvas la polilla Diatraea saccharalis. Estas se alimentaron de los tejidos internos de los tallos produciendo galerías en los mismos. Estas galerías destruyeron los haces vasculares de la planta provocando el quebrado de las plantas y las disminución del rendimiento. d) Otras estrategias tradicionales para hacer frente a esta plaga podrían ser aplicar controles preventivos y controles químicos. En especial en los controles preventivos se tiene que seleccionar y preparar el terreno (sin malezas) y tener en cuenta las fechas de siembra y riego. Además podría estar acompañado de aplicaciones de insecticidas químicos para ampliar el espectro de acción. Igualmente la aplicación de estos plaguicidas debe ser medida y prudencial dado que son nocivos y pueden generar resistencia en los insectos. MATERIAL DE CONSULTA 1. Clasificación de los animales. Actividades interactivas. http://www.juntadeandalucia.es/averroes/ceiplopezmayor/images/flash/hot%20potatoes/web_mj ose/animales.htm 2. http://www.rena.edu.ve/primeraetapa/Ciencias/invertebra.html Animales Invertebrados. Red Escolar nacional de Venezuela. 3. Resistencia a insectos y nematodos. Materia Agrobiotecnología. FCEN-UBA. http://www.fbmc.fcen.uba.ar/fbmcespanol.html 4. http://www.botanical-online.com/plagasenfermedadesdelasplantas.htm Plagas de las Plantas. 5. Curtis H. y Barnes N. (1997) Invitación a la Biología. Edición Panamericana. Quinta edición. Argentina. 6. Fava F. D., J. M. Imwinkelried y E. V. Trumper. (2004). Proyecto Nacional de Agricultura Sustentable: Manejo del Barrenador del Tallo de Maíz. Ediciones INTA, boletían 6, I.S.S.N. 16682882. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. EDICIÓN Nº 131 7. María Antonia Muñoz de Malajovich. (2006). Biotecnología. Universidad Nacional de Quilmes Editorial. Argentina. 8. Dalia Lewi y Clara Rubinstein. (2011). Parte V – Capitulo: Obtención de plantas resistentes a insectos. Biotecnología y Mejoramiento Vegetal II. Ediciones INTA. "El Cuaderno de Por Qué Biotecnología" es una herramienta didáctica creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo Por Qué Biotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por parte del Programa Educativo Por Qué Biotecnología.
