September 2013
Source: Institut de Recherche pour le Développement (IRD)
Busseola fusca © IRD / B. Le Ru
Like many other transgenic crops, Bt maize synthesises its own pesticide: a toxic protein produced in its leaves and stems, which kills pests in a matter of days. Perfect… Except when insect populations develop resistance to the toxin! To date, management strategies implemented to delay the evolution of resistance have been successful. Notwithstanding the success of these strategies, IRD scientists and their South African partners have now revealed that a major pest of maize, the moth Busseola fusca, has developed an unusual defense mechanism against Bt toxin in South Africa. By contrast with the usual expectations, this resistance is inherited as a dominant trait, a characteristic that may have contributed to its rapid geographical expansion. This result recently published in the journal PLoS ONE, suggests that insect resistance management should be more finely tuned to local pests and should go beyond the simple implementation of refuges for Bt-susceptible moths.
Corn fields in Kenya near Kilimanjaro (in the background). © IRD / B. Le Ru
Bt maize and resistance development
Genetically engineered maize is created by introducing a gene into the plant genome that expresses a toxic protein from a bacterium, i.e. Bacillus thuringiensis (Bt). Both the leaves and stems of Bt maize produce this toxin which destroys the gut of any moth larvae eating the plant. The technique is effective and unlike wide spectrum pesticides, it only targets larvae of moths. However, sooner or later, insect species may be able to develop a mechanism of resistance against any pesticides. Bt maize is not fundamentally different in this regard and in order to delay the evolution of resistance in pest populations, the concept of maintaining refuges for Bt susceptible moths was developed.
Non-Bt maize fields are protecting Bt maize fields
The refuge strategy consists of planting a small proportion of land with non-Bt maize; the aim being to maintain pockets of insects that remain susceptible to the toxin. In line with other known cases of Bt-resistance, resistance in Busseola fusca was expected to involve modification of the cells in the gut wall, which prevents the toxin from binding. Crucially, this type of adaptation is inherited recessively: both parents must be resistant to produce fully resistant offspring. Since the probability of resistant individuals arising in the field is low, any resistant insects surviving on Bt maize will mate with one of the many Bt-susceptible individuals originating from the refuge area and their progeny will not survive in the Bt-maize field. This tactic has been successful, especially in North America where the first Bt maize has been planted since 1995 with resistance yet to develop among lepidopteran pests.
The exception to the rule
However, about seven years after Bt maize was introduced to South Africa in the late 1990’s, scientists observed resistant Busseola fusca caterpillars and, more importantly, these resistant insects seemed to reproduce and spread rapidly. To explain this phenomenon, scientists in South Africa, together with IRD researchers, crossed resistant South African moths with susceptible moths imported from Kenya, where Bt maize is not yet commercialized. The offspring developed perfectly on Bt maize and were as resistant as the South African resistant parents. Unlike everything known so far, this resistance evolved in the field was inherited as a dominant trait.
A likely new resistance mechanism
This result shows for the first time that resistance to Bt maize can be inherited in a dominant rather than recessive way. It also explains why resistance has spread rapidly. The moth does not seem to have followed the expected pattern of adaptation. At this stage, there are several hypotheses as to the nature of the mechanism, but it is very likely that Busseola fusca has developed an unconventional resistance mechanism yet to be identified.
Implications
In South Africa, most farmers are still cultivating single-toxin Bt maize. In many cases they need to apply at least one pesticide spray, which makes planting of Bt varieties less attractive. As a result of the study, the planting of refuges needs to be reconsidered in South Africa, and a possibility exists that the refuge strategy may totally change in the future. However these are very short term solutions. In the medium term, single-toxin Bt maize is being progressively replaced by a stacked variety producing two different toxins but, in a worst case scenario, one cannot exclude that Busseola fusca could also quickly adapt to varieties expressing more than one toxin. In the long term, new Insect Resistance Management strategies, likely more complex, should be developed against Busseola fusca. Such perspectives could include a more diverse array of toxins for the control of pest populations, possibly supplemented with a biological component such as pathogenic fungi or parasitic wasps.
Partners
North-West University in South Africa, International Centre for Insect Physiology and Ecology (Icipe) in Kenya.
References
Campagne Pascal, Kruger M., Pasquet Rémy, Le Ru Bruno, Van den Berg J. Dominant Inheritance of Field-Evolved Resistance to Bt Corn in Busseola fusca . PLoS ONE , 2013, 8(7): e69675. doi:10.1371/journal.pone.0069675
Larvas africanas resistentes al maíz OGM
Al igual que muchas otras plantas transgénicas, el maíz denominado "Bt" sintetiza su propio pesticida: una proteína tóxica producida en sus hojas y tallos que mata a todas sus plagas en pocos días. Es imparable... ¡a menos que las poblaciones de insectos se adapten a esta toxina! Hasta el momento, las estrategias puestas en práctica para contrarrestar la aparición de resistencias han sido eficaces, pero investigadores del IRD y sus colegas sudafricanos acaban de demostrar que una polilla (Busseola fusca) ha desarrollado un nuevo modo de defensa contra la toxina Bt en Sudáfrica. Una resistencia genéticamente dominante, contrario al mecanismo clásico, que se propaga de forma muy rápida. Este descubrimiento, publicado en PLoS ONE, cuestiona el principio sobre el cual reposa la estrategia de anti-resistencia que generalmente acompaña la utilización de los OGM.
El riesgo de resistencia acecha
El maíz OGM fue creado mediante inserción del gen codificador de una proteína tóxica proveniente de una bacteria llamada Bacillus thuringiensis (Bt) dentro de su genoma. El "maíz Bt" produce por sí mismo esta toxina en sus hojas y tallos, la cual destruye la pared intestinal de las larvas de los insectos después de su ingestión. Barrenador, sesamia, crisomela... ningún depredador del maíz puede resistirla. Al menos al principio. Porque los insectos pueden desarrollar resistencias debido al efecto de la presión de selección impuesta continuamente por la molécula tóxica.
Una estrategia considerada infalible hasta el momento
Frente a esta amenaza, la solución recomendada consiste en conservar "zonas de refugio", es decir, una pequeña parte de las superficies no cultivadas con OGM. Objetivo: mantener poblaciones de insectos sensibles a la toxina. En la mayoría de las especies de plagas estudiadas hasta el momento, la evolución de la resistencia parecía provenir de una modificación de las células de la pared intestinal, impidiendo el establecimiento de las toxinas. Este tipo de adaptación se transmite de manera recesiva: solo dos padres resistentes producirán una descendencia a su vez resistente. Ahora bien, la probabilidad de que estos individuos aparezcan sigue siendo débil. Un insecto resistente que sobrevive en un campo de OGM tiene mayores probabilidades de aparearse con uno de sus numerosos congéneres sensibles provenientes de la "zona de refugio". Esta táctica ha dado resultados en Norteamérica, pero el equipo de investigación resalta una debilidad en el sistema.
Una eficacia cuestionada
Tan solo seis años después de la introducción del maíz Bt en Sudáfrica, los científicos han descubierto larvas de Busseola fusca resistentes que han proliferado rápidamente. Para explicar este fenómeno, los investigadores cruzaron polillas sudafricanas resistentes con polillas kenianas sensibles (actualmente el maíz Bt no es comercializado en Kenia). Desde la primera generación, las larvas híbridas obtenidas se mostraron tan resistentes al maíz Bt como sus parientes sudafricanas. Este resultado hace tambalear los fundamentos de la estrategia anti-resistencia que acompaña en general la utilización de los OGM.
Un nuevo modo de resistencia
Esto demuestra por primera vez que una resistencia al maíz Bt se transmite de manera dominante y no recesiva. Por lo tanto, la polilla no utiliza el mecanismo de adaptación clásico. De acuerdo con los investigadores, la larva de B. fusca podría ser capaz de desactivar la toxina antes de que esta ataque las paredes intestinales. Un tipo de adaptación como este se transmite en efecto de manera dominante. De esta forma la resistencia habría podido propagarse de generación en generación en las plagas.
Los mecanismos fisiológicos en cuestión deber ser confirmados en adelante con el fin de reorientar la estrategia anti-resistencia de los OGM. Además, los investigadores exploran otras formas prometedoras de lucha biológica contra las plagas del maíz en África, ya sea a partir de un hongo entomopatógeno o gracias a pequeñas avispas parasitoides. Estas ponen sus huevos en las larvas de B. fusca y posteriormente sus larvas matan a estas últimas después de haberse desarrollado a sus expensas.
http://es.ird.fr/la-mediateca/fichas-cientificas/438-larvas-africanas-resistentes-al-maiz-ogm
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