Integration of physical, chemical and biological tactics against insect pests and virus diseases in horticultural crops

Actualmente, la gesti��n de sistemas de Manejo Integrado de Plagas (MIP) en cultivos hort��colas tiene por objetivo priorizar los m��todos de control no qu��micos en detrimento del consumo de plaguicidas, seg��n recoge la directiva europea 2009/128/CE ���Uso Sostenible de Plaguicidas��� (OJEC, 2009). El uso de agentes de biocontrol como alternativa a la aplicaci��n de insecticidas es un elemento clave de los sistemas MIP por sus innegables ventajas ambientales que se utiliza ampliamente en nuestro pa��s (Jacas y Urbaneja, 2008). En la regi��n de Almer��a, donde se concentra el 65% de cultivo en invernadero de nuestro pa��s (47.367 ha), MIP es la principal estrategia en pimiento (MAGRAMA, 2014), y comienza a serlo en otros cultivos como tomate o pepino. El cultivo de pepino, con 8.902 ha (MAGRAMA, 2013), tiene un protocolo semejante al pimiento (Robledo et al., 2009), donde la ��nica especie de pulg��n importante es Aphis gossypii Glover. Sin embargo, pese al continuo incremento de la superficie de cultivo agr��cola bajo sistemas MIP, los da��os originados por virosis siguen siendo notables. Algunos de los insectos presentes en los cultivos de hort��colas son importantes vectores de virus, como los pulgones, las moscas blancas o los trips, cuyo control resulta problem��tico debido a su elevada capacidad para transmitir virus vegetales incluso a una baja densidad de plaga (Holt et al., 2008; Jacas y Urbaneja, 2008). Las relaciones que se establecen entre los distintos agentes de un ecosistema son complejas y muy espec��ficas. Se ha comprobado que, pese a que los enemigos naturales reducen de manera beneficiosa los niveles de plaga, su incorporaci��n en los sistemas planta-insecto-virus puede desencadenar complicadas interacciones con efectos no deseables (Dicke y van Loon, 2000; Jeger et al., 2011). As��, los agentes de biocontrol tambi��n pueden inducir a que los insectos vectores modifiquen su comportamiento como respuesta al ataque y, con ello, el grado de dispersi��n y los patrones de distribuci��n de las virosis que transmiten (Bailey et al., 1995; Weber et al., 1996; Hodge y Powell, 2008a; Hodge et al., 2011). Adem��s, en ocasiones el control biol��gico por s�� solo no es suficiente para controlar determinadas plagas (Medina et al., 2008). Entre los m��todos que se pueden aplicar bajo sistemas MIP est��n las barreras f��sicas que limitan la entrada de plagas al interior de los invernaderos o interfieren con su movimiento, como pueden ser las mallas anti-insecto (��lvarez et al., 2014), las mallas fotoselectivas (Raviv y Antignus, 2004; Weintraub y Berlinger, 2004; D��az y Fereres, 2007) y las mallas impregnadas en insecticida (Licciardi et al., 2008; Martin et al., 2014). Las mallas fotoselectivas reducen o bloquean casi por completo la transmisi��n de radiaci��n UV, lo que interfiere con la visi��n de los insectos y dificulta o impide la localizaci��n del cultivo y su establecimiento en el mismo (Raviv y Antignus, 2004; Weintraub, 2009). Se ha comprobado c��mo su uso puede controlar los pulgones y las virosis en cultivo de lechuga (D��az et al., 2006; Legarrea et al., 2012a), as�� como la mosca blanca, los trips y los ��caros, y los virus que estos transmiten en otros cultivos (Costa y Robb, 1999; Antignus et al., 2001; Kumar y Poehling, 2006; Doukas y Payne, 2007a; Legarrea et al., 2010). Sin embargo, no se conoce perfectamente el modo de acci��n de estas barreras, puesto que existe un efecto directo sobre la plaga y otro indirecto mediado por la planta, cuya fisiolog��a cambia al desarrollarse en ambientes con falta de radiaci��n UV, y que podr��a afectar al ciclo biol��gico de los insectos fit��fagos (V��nninen et al., 2010; Johansen et al., 2011). Del mismo modo, es necesario estudiar la compatibilidad de esta estrategia con los enemigos naturales de las plagas. Hasta la fecha, los estudios han evidenciado que los agentes de biocontrol pueden realizar su actividad bajo ambientes pobres en radiaci��n UV (Chyzik et al., 2003; Chiel et al., 2006; Doukas y Payne, 2007b; Legarrea et al., 2012c). Otro m��todo basado en barreras f��sicas son las mallas impregnadas con insecticidas, que se han usado tradicionalmente en la prevenci��n de enfermedades humanas transmitidas por mosquitos (Martin et al., 2006). Su aplicaci��n se ha ensayado en agricultura en ciertos cultivos al aire libre (Martin et al., 2010; D��az et al., 2004), pero su utilidad en cultivos protegidos para prevenir la entrada de insectos vectores en invernadero todav��a no ha sido investigada. Los aditivos se incorporan al tejido durante el proceso de extrusi��n de la fibra y se liberan lentamente actuando por contacto en el momento en que el insecto aterriza sobre la malla, con lo cual el riesgo medioambiental y para la salud humana es muy limitado. Los plaguicidas que se emplean habitualmente suelen ser piretroides (deltametrina o bifentr��n), aunque tambi��n se ha ensayado dicofol (Martin et al., 2010) y alfa-cipermetrina (Martin et al., 2014). Un factor que resulta de vital importancia en este tipo de mallas es el tama��o del poro para facilitar una buena ventilaci��n del cultivo, al tiempo que se evita la entrada de insectos de peque��o tama��o como las moscas blancas (Bethke y Paine, 1991; Mu��oz et al., 1999). Asimismo, se plantea la necesidad de estudiar la compatibilidad de estas mallas con los enemigos naturales. Es por ello que en esta Tesis Doctoral se plantea la necesidad de evaluar nuevas mallas impregnadas que impidan el paso de insectos de peque��o tama��o al interior de los invernaderos, pero que a su vez mantengan un buen intercambio y circulaci��n de aire a trav��s del poro de la malla. As��, en la presente Tesis Doctoral, se han planteado los siguientes objetivos generales a desarrollar: 1. Estudiar el impacto de la presencia de parasitoides sobre el grado de dispersi��n y los patrones de distribuci��n de pulgones y las virosis que ��stos transmiten. 2. Conocer el efecto directo de ambientes pobres en radiaci��n UV sobre el comportamiento de vuelo de plagas clave de hort��colas y sus enemigos naturales. 3. Evaluar el efecto directo de la radiaci��n UV-A sobre el crecimiento poblacional de pulgones y mosca blanca, y sobre la fisiolog��a de sus plantas hospederas, as�� como el efecto indirecto de la radiaci��n UV-A en ambas plagas mediado por el crecimiento de dichas planta hospederas. 4. Caracterizaci��n de diversas mallas impregnadas en deltametrina y bifentr��n con diferentes propiedades y selecci��n de las ��ptimas para el control de pulgones, mosca blanca y sus virosis asociadas en condiciones de campo. Estudio de su compatibilidad con parasitoides. ABSTRACT Insect vectors of plant viruses are the main agents causing major economic losses in vegetable crops grown under protected environments. This Thesis focuses on the implementation of new alternatives to chemical control of insect vectors under Integrated Pest Management programs. In Spain, biological control is the main pest control strategy used in a large part of greenhouses where horticultural crops are grown. The first study aimed to increase our knowledge on how the presence of natural enemies such as Aphidius colemani Viereck may alter the dispersal of the aphid vector Aphis gossypii Glover (Chapter 4). In addition, it was investigated if the presence of this parasitoid affected the spread of aphid-transmitted viruses Cucumber mosaic virus (CMV, Cucumovirus) and Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV, Polerovirus) infecting cucumber (Cucumis sativus L). SADIE methodology was used to study the distribution patterns of both the virus and its vector, and their degree of association. Results suggested that parasitoids promoted aphid dispersal in the short term, which enhanced CMV spread, though consequences of parasitism suggested potential benefits for disease control in the long term. Furthermore, A. colemani significantly limited the spread and incidence of the persistent virus CABYV in the long term. The flight activity of pests Myzus persicae (Sulzer), Bemisia tabaci (Gennadius) and Tuta absoluta (Meyrick), and natural enemies A. colemani and Sphaerophoria rueppellii (Weidemann) under UV-deficient environments was studied under field conditions (Chapter 5). One-chamber tunnels were covered with cladding materials with different UV transmittance properties. Inside each tunnel, insects were released from tubes placed in a platform suspended from the ceiling. Specific targets were located at different distances from the platform. The ability of aphids and whiteflies to reach their targets was diminished under UV-absorbing barriers, suggesting a reduction of vector activity under this type of nets. Fewer aphids reached distant traps under UV-absorbing nets, and significantly more aphids could fly to the end of the tunnels covered with non-UV blocking materials. Unlike aphids, differences in B. tabaci captures were mainly found in the closest targets. The oviposition of lepidopteran T. absoluta was also negatively affected by a UV-absorbing cover. The photoselective barriers were compatible with parasitism and oviposition of biocontrol agents. Apart from the direct response of insects to UV radiation, plant-mediated effects influencing insect performance were investigated (Chapter 6). The impact of UV-A radiation on the performance of aphid M. persicae and whitefly B. tabaci, and growth and leaf physiology of host plants pepper and eggplant was studied under glasshouse conditions. Plants were grown inside cages covered by transparent and UV-A-opaque plastic films. Plant growth and insect fitness were monitored. Leaves were harvested for chemical analysis. Pepper plants responded directly to UV-A by producing shorter stems whilst UV-A did not affect the leaf area of either species. UV-A-treated peppers had higher content of secondary metabolites, soluble carbohydrates, free amino acids and proteins. Such changes in tissue chemistry indirectly promoted aphid performance. For eggplants, chlorophyll and carotenoid levels decreased with supplemental UVA but phenolics were not affected. Exposure to supplemental UV-A had a detrimental effect on whitefly development, fecundity and fertility presumably not mediated by plant cues, as compounds implied in pest nutrition were unaltered. Lastly, the efficacy of a wide range of Long Lasting Insecticide Treated Nets (LLITNs) was studied under laboratory and field conditions. This strategy aimed to prevent aphids and whiteflies to enter the greenhouse by determining the optimum mesh size (Chapter 7). This new approach is based on slow release deltamethrin- and bifenthrin-treated nets with large hole sizes that allow improved ventilation of greenhouses. All LLITNs produced high mortality of M. persicae and A. gossypii although their efficacy decreased over time with sun exposure. It was necessary a net with hole size of 0.29 mm2 to exclude B. tabaci under laboratory conditions. The feasibility of two selected nets was studied in the field under a high insect infestation pressure in the presence of CMV- and CABYV-infected cucumber plants. Besides, the compatibility of parasitoid A. colemani with bifenthrin-treated nets was studied in parallel field experiments. Both nets effectively blocked the invasion of aphids and reduced the incidence of both viruses, however they failed to exclude whiteflies. We found that our LLITNs were compatible with parasitoid A. colemani. As shown, the role of natural enemies has to be taken into account regarding the dispersal of insect vectors and subsequent spread of plant viruses. The additional benefits of novel physicochemical barriers, such as photoselective and insecticide-impregnated nets, need to be considered in Integrated Pest Management programs of vegetable crops grown under protected environments.