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El Método de la Liberación de Insectos Estériles y Otras Estrategias de Control Genético

Alan C. Bartlett1 y. Robert T. Staten2
1
USDA, ARS, Western Cotton Research Laboratory
2USDA, APHIS, PPQ, Phoenix Methods Development Center
Fénix, AZ 85040

Traducción al castellano por el Dr. Rafael E. Cancelado
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Figura 1. El USDA, ARS Western Cotton Research Laboratory [El Laboratorio de Investigación del Algodón del Oeste del Servicio de Investigación Agrícola (ARS), del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA)] integra la investigación de científicos usando herramientas de entomología, fisiología vegetal, genética y biología molecular para encontrar métodos de mejorar y reducir los costos de la producción de algodón

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ESTERILIDAD INDUCIDA EN INSECTOS

Historia

Descubrimientos en disciplinas tan diversas de la ciencia como biología de la radiación, química, comportamiento animal , biología molecular, genética y entomología han contribuido a nuestras ideas actuales en relación con el control de los insectos plagas. En 1895 W. K. Röntgen observó y reportó su descubrimiento de los Rayos X. Para 1903 los efectos de tales rayos del radio sobre los sistemas reproductivos y el desarrollo de los insectos había sido reportado por C. Bohn. En 1916 G. A. Runner, encontró que bajas dosis de rayos X reducían la capacidad reproductiva del escarabajo cigarrillo, mientras que dosis más altas los mataban.

Para 1926 H.J. Muller había demostrado que la radiación con rayos X causaba cambios heredables en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster Meigen). Se encontró que uno de los tipos más frecuentes de mutaciones inducidas eran mutaciones letales. La "esterilidad parcial" de machos tratados con rayos X preocupaba a Muller porque este efecto reducía los números de mutaciones visibles que podían ser recuperadas para una dosis dada de radiación.

Tan temprano como 1937, E. F. Knipling había concebido un enfoque para el control de insectos en el cual el proceso reproductivo natural de la mosca del gusano tornillo (Cochliomyia hominivorax Coquerel) era alterado por mecanismos químicos o físicos los cuales esterilizaban a los insectos (Knipling 1985). Estos insectos estériles eran liberados en el medio ambiente en números muy grandes (10 a 100 veces el número de insectos nativos) con el fin de que se aparearan con los insectos nativos que estaban presentes en ese medio ambiente. Una hembra nativa que se aparea con un macho estéril producirá huevos, pero los huevos no eclosionarán (para el cruzamiento recíproco ocurrirá el mismo efecto). Como en la población hay entre 10 y 100 veces más insectos estériles que nativos, la mayoría de los cruzamientos son estériles. A medida que pasa el tiempo, el número de insectos nativos se reduce y aumenta la proporción de insectos estériles en relación con los normales, llevando de este modo a la población nativa a la extinción.

Este singular método de control de insectos también se conoce como la técnica del insecto estéril (SIT), o método de liberación de insectos estériles (SIRM). SIT demostró ser un método extremadamente exitoso para control de la mosca del gusano tornillo cuando se usó radiación ionizante como fuente de esterilización. El éxito del programa SIT del gusano tornillo llevó a investigaciones de los efectos de la radiación sobre el desempeño reproductivo de muchos otros insectos económicamente importantes.

También se consideró el uso de productos químicos mutagénicos para esterilizar insectos para programas de liberación de insectos estériles porque éste parecía ser un método eficiente de causar esterilidad (Knipling 1979). Por ejemplo, los esterilizantes químicos podrían añadirse a la dieta de los medios de cría, o el producto químico podría aplicarse a los huevos o pupas en momentos en los cuales éstos son manejados en el proceso normal de cría. Sin embargo, hasta el presente, el uso de esterilizantes químicos ha sido muy limitado por los temores de contaminación del medio ambiente por insectos portadores de materiales carcinogénicos. También hay problemas con la eliminación de la dieta o con otros portadores usados para administrar los esterilizantes químicos a los insectos. Se ha demostrado que ciertos tipos de tinturas foto-químicamente reactivas (v. gr. D&C rojo número 28) tienen propiedades insecticidas pero son seguras para el medio ambiente. Hay un reto para que los investigadores descubran productos químicos similares que podrían ser usados como esterilizantes.

Los métodos que se usan actualmente para la aplicación exitosa del principio de esterilidad (Bartlett 1990) no han cambiado de manera significativa desde la formulación original de E. F. Knipling:

  1. Técnicas que hacen posible producir grandes números de los insectos objetivo. (Componente de cría)

  2. Técnicas que hacen posible esterilizar grandes números de los insectos objetivo. (Componente de tratamiento)

  3. Insectos razonablemente competitivos que pueden ser liberados después de la esterilización. (Componente de competitividad)

  4. Sistemas económicos de liberación y distribución de los insectos en el área de tratamiento. (Componente de liberación)

  5. Herramientas para evaluar con precisión las poblaciones nativas antes y después de la liberación de los insectos tratados. (Componente de evaluación)

  6. Un área de tratamiento suficientemente grande (o suficientemente bien aislada) para excluir la posibilidad de inmigración de hembras inseminadas al área de liberación. (Componente de reinfestación)

Hay dificultades cuando el SIT se aplica a ciertos Lepidoptera, Coleoptera, o a insectos (como mosquitos y moscas caseras) cuyo comportamiento ofensivo impida la liberación de grandes números en la vecindad de personas o animales. Por ejemplo, una dosis de 5500 rad (55 Gy) es suficiente para garantizar 100% de esterilidad de las moscas del gusano tornillo. Sin embargo, aún después de dosis por encima de 50.000 rad (500 Gy), algunas plagas lepidópteras aún producirán progenie F1. Los investigadores han encontrado que estas progenies F1 exhiben niveles de esterilidad iguales a, o mayores que, los de sus padres tratados. Se ha sugerido que esta esterilidad heredada (o demorada) puede ser usada en programas de control (Anónimo 1993).

La existencia de especies de insectos que no responden a nuestros esfuerzos de esterilización ha llevado a los investigadores a buscar otros métodos que usen principios genéticos, pero no necesariamente implican esterilidad inducida por radiación. Estos otros métodos de control "autocida" son discutidos después que hayamos discutido en más detalle los casos en los cuales se ha usado la esterilidad inducida.

Programas de Control de Insectos Mediante el Uso de Esterilidad Inducida

El uso exitoso de insectos estériles para la erradicación del gusano tornillo de los Estados Unidos y México ha sido detallado en un número de libros y simposios. El U. S. D. A., Animal and Plant Health Inspection Service mantiene en Internet una página base sobre el programa de erradicación del gusano tornillo. El programa del gusano tornillo ha tenido una cantidad de detractores y escépticos quienes teorizaron que el método de liberación de insectos estériles jamas funcionaría (ver una discusión de algunos pros y contras relacionados con la erradicación de insectos en Cox 1978). A pesar de toda la crítica científica, la erradicación prosiguió rápidamente a todo lo ancho del sur de los Estados Unidos. La porción del programa de erradicación del gusano tornillo en los EEUU comenzó en la Florida en 1957 y para 1966 habían sido eliminadas de los Estados Unidos todas las colonias autosostenidas del gusano tornillo. Sin embargo, el programa se vio comprometido por reinfestaciones causadas por moscas que migraban de México, de modo que en 1972 se inició un programa conjunto Estados Unidos-México. Este programa le permitió a México ser declarado oficialmente libre del gusano tornillo en 1991, Belice y Guatemala en 1994, y El Salvador en 1995. Honduras se considera técnicamente libre del gusano tornillo ya que no se han detectado moscas desde enero de 1995. El objetivo final de un proyecto propuesto Estados Unidos-Centro América es mantener una barrera de insectos estériles en el tapón del Darién en Panamá a partir de 1997. Este programa ha economizado millardos de dólares en pérdidas en ganado y vida silvestre desde su comienzo.

Aunque el programa de erradicación del gusano tornillo es el uso más visible y exitoso del SIT, cierto número de otras especies de insectos han sido sometidas a liberaciones de insectos estériles con grados variables de éxito. Esto incluye las siguientes plagas y áreas donde los programas han sido llevados a cabo (esta no es una lista completa): (1) mosca del gusano tornillo/USA, México, Libia; (2) Mosca de la Fruta del Mediterráneo (Ceratitis capitata Wiedemann)/USA (California), México; (3) Mosca del Melón (Dacus cucurbitae Coquillett)/Japón, Taiwan; (4) Gusano Rosado del Algodonero (Pectinophora gossypiella Saunders)/USA (California); (5) Mosca Tsetsé (Glossina especies)/Tanzania, Zimbabwe, Alto Volta; (6) Mosquitos (varios) USA (Florida), África Oriental, Venezuela; (7) Gusano Bellotero (Anthonomus grandis Boheman)/Sureste de los USA; (8) Mosca Mexicana de la Fruta, (Anastrepha ludens Loew)/USA (Texas), México; (9) Polilla Gitana (Lymantria dispar Linnaeus)/Noreste de los USA, Canadá; (10) Mosca de los Establos (Stomoxys calcitrans Linnaeus)/USA (St. Croix, Islas Vírgenes - experimental); (11) Mosca de los Cuernos (Haematobia irritans Linnaeus)/USA (Texas - experimental); (12) Gusano de la Mazorca del Maíz (Helicoverpa zea Boddie)/USA (St. Croix, VI); (13) Gusano Cachón del Tabaco (Manduca sexta Linnaeus)/USA (St. Croix, VI).

pink bollworm

Figura 2. El gusano rosado del algodonero, Pectinophora gossypiella Saunders, es una plaga lepidóptera que destruye el algodón, la cual ocurre en las regiones áridas del suroeste de los Estados Unidos, India, Pakistán, China, Israel, Egipto, y muchos otros países productores de algodón.

Uno de los programas de liberación de insectos estériles a largo plazo de más éxito involucra el gusano rosado del algodonero en el Valle de San Joaquín de California (Staten et al. 1993). Durante un período de 24 años se han hecho liberaciones continuas de adultos estériles del gusano rosado del algodonero en cada día de la estación de producción del algodón. Este programa fue iniciado en 1968 para proteger las cerca de 500,000 ha de algodón en el valle de la infestación por el gusano rosado. En otras palabras, este programa fue concebido como una barrera contra las altas poblaciones del gusano rosado que se encuentran en Arizona, el sur de California y el norte de México durante las décadas de 1950 y 1960.

Pink bollworm larvae

Figura 3. El estado larval del gusano rosado, mostrado aquí, destruye la semilla y la mota dentro de las cápsulas inmaduras de algodón.

El programa del gusano rosado ha sido un esfuerzo cooperativo del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, el Departamento de Alimentos y Agricultura de California y la Junta de Control de Plagas del Algodón de California. Desde 1970 hasta 1991 las instalaciones para cría de gusano rosado en Fénix produjeron entre 99 millones y 826 millones de polillas marcadas por año. La mayor parte de las polillas fueron esterilizadas por radiación y liberadas desde aviones sobre algodonales nativos en el Valle de San Joaquín; sin embargo, grandes números de polillas también han sido suministradas para programas de investigación sobre esterilidad, evaluación de insecticidas y aislamiento e identificación de feromonas.

Durante el curso de este programa de liberación, el número de polillas nativas capturadas en el Valle de San Joaquín ha variado considerablemente de año en año (Staten et al. 1993). Debido al cuidadoso monitoreo de las poblaciones nativas y de las estériles marcadas con tinturas mediante el uso de trampas cebadas con feromonas, el programa permitió ajustar rápidamente tanto los patrones de liberación como los números de insectos estériles liberados en un área dada de liberación. Cada año las liberaciones se hacen en secciones de algodón en las cuales hubo capturas de polillas nativas en el año anterior. A medida que adultos nativos del gusano rosado aparecen en las trampas, los patrones y las ratas de liberación son ajustados apropiadamente. En uno solo de los 24 años del programa (1990), se han usado insecticidas convencionales para control de infestaciones del gusano rosado y tal cosa se hizo solo en áreas muy limitadas (dos aspersiones en 113 ha del total de 482). Aparentemente no hubo residuos de esta población de 1990 para 1991, y el número total de insectos nativos capturados en 1992 fue bajo. Actualmente, no se ha desarrollado otra población detectable económicamente dañina del gusano rosado en el Valle de San Joaquín.

OTRAS TÉCNICAS AUTOCIDAS DE CONTROL DE INSECTOS

Algunas especies de insectos han demostrado no ser buenas candidatas para la técnica de insectos estériles, de modo que se han investigado otros métodos de usar a l os insectos para que se controlen a sí mismos (control autocida). Los siguientes enfoques han sido investigados (para algunas discusiones pioneras del uso de genética en control de insectos, ver Davidson 1974, Pal y Whitten 1974, y Whitten 1985).

Esterilidad Heredada

Este efecto también ha sido llamado: esterilidad demorada, esterilidad de F1, esterilidad parcial, etc. Este fenómeno es útil en organismos, tales como Lepidoptera y Homoptera, que contienen cromosomas policéntricos. Involucra la transmisión de cromosomas aberrantes (usualmente en forma de translocaciones) de las poblaciones liberadas a la población nativa.

Normal chromosomes of pink bollworm

Figura 4. El complemento cromosómico normal del gusano rosado consiste de 30 pares diferentes de cromosomas como se muestra aquí.

Massive chromosomal translocations

Figura 5. Cuando los lepidópteros adultos son tratados con ciertas dosis de radiación (5 a 12 krad), su progenie F1 tendrá translocaciones cromosómicas, las cuales causarán cantidades variables de esterilidad reproductiva en esas progenies F1. Esta fotografía demuestra translocaciones cromosómicas masivas en un macho F1 cuyo padre recibió 6 krad de radiación gamma.

Esto se puede lograr de dos maneras: 1) tratando una población de insectos criada en laboratorio con una dosis de radiación que sea suficiente para romper los cromosomas, pero también suficientemente baja para producir poca esterilidad directa, o 2) cultivando una provisión de la especie objetivo la cual contiene translocaciones homozigotas (esto es bastante difícil y tedioso de lograr). Cuando los cromosomas aberrantes son traspasados a las poblaciones nativas, los individuos portadores de las aberraciones en estado heterozigote presentarán esterilidad. La cantidad de esterilidad dependerá del número y tamaño de las translocaciones que ocurren en cada individuo. Algunas ventajas de este método incluyen: 1) competitividad reproductiva incrementada de los individuos liberados que son parcialmente estériles, en comparación con los individuos totalmente esterilizados que se usan en SIRM; 2) Los individuos F1 se producen en la población nativa, liberando, por tanto, las instalaciones de cría para la producción de mayores números del organismo primario de liberación (Anónimo 1993).

Mutaciones Letales Condicionales

En esta técnica, se producen líneas de insectos (mediante manipulación genética) portadoras de características que son perjudiciales a la especie en el medio ambiente nativo, pero que no son perjudiciales en condiciones de laboratorio. Por ejemplo, la inhabilidad de entrar en diapausa sería una condicional letal en un insecto que para sobrevivir durante un período en el cual no hay hospederos tiene que entrar en diapausa, pero en el laboratorio no sería necesaria la diapausa. Algunos otros tipos de características letales condicionales que podrían ser usadas son mutaciones letales de sensibilidad al frío, mutaciones letales de sensibilidad a altas temperaturas, inhabilidad de volar, falta de producción de una feromona sexual o de respuesta a ella, falta de habilidad para desarrollarse en un hospedero particular, cambio en la coloración protectora, o cualquier otro cambio genético que podría afectar la habilidad de un individuo de sobrevivir o reproducirse en el medio ambiente nativo. En el pasado, la introducción de letales condicionales dependía de nuestra habilidad para identificar y aislar mutaciones que ocurren de manera natural o inducida en la especie objetivo. Actualmente los investigadores están investigando la posibilidad de que tales mutaciones puedan ser tomadas de organismos bien conocidos genéticamente, tales como D. melanogaster, e introducirlas en organismos de importancia económica usando nuevas técnicas desarrolladas en biología molecular (Cockburn, et al. 1989).

Cambios de Comportamiento

Sería ventajoso causar cambios en comportamientos específicos de los insectos que los hace destructivos o indeseables. Por ejemplo, en muchas especies plagas, un cambio de desarrollo multivoltino a univoltino eliminaría la destructividad económica de la plaga. A menudo se ha mostrado que tal cambio es de carácter genético. Si pudiéramos aprender lo suficiente sobre fisiología de insectos para poder identificar los determinantes genéticos que están detrás de tal comportamiento, entonces podríamos manipular genéticamente la especie y liberar la nueva raza en números tan grandes que la nueva característica se volvería predominante en la población. Algunas otras características serían alteración del alcance del hospedero, el tiempo de desarrollo, la fecundidad, proporción de sexos, requisitos de humedad, sitios para empupar, etc. También deberíamos considerar características de los insectos que los hicieran susceptibles a productos químicos más baratos o ambientalmente benéficos.

Esterilidad Híbrida

El trasfondo evolutivo de muchos insectos plagas nos lleva a creer que pueden existir barreras reproductivas entre razas de la misma especie en áreas geográficas diferentes o entre especies estrechamente relacionadas. En el laboratorio se podrían criar híbridos estériles para liberarlos entre poblaciones nativas. Este fenómeno ha sido claramente demostrado en cruzamientos entre machos de Heliothis virescens y hembras de Heliothis subflexa (Laster et al. 1996) y debería ser investigado más ampliamente.

Mutaciones Heredadas de Manera Simple

Los cambios genéticos en un solo gene podrían llevar a una adaptación reducida en los nativos si el gene pudiera ser forzado en la población nativa en grandes números. Algunos ejemplos de tales cambios podrían ser mutaciones recesivas letales, cambios en el color de los ojos (para aumentar o disminuir la sensibilidad a la luz), cambios en el color del cuerpo o de la pupa, deformaciones en antenas, patas o alas.

Es obvio que cada uno de los fenómenos mencionados previamente requiere una cantidad significativa de datos de investigación sobre genética de insectos, fisiología, comportamiento y reproducción para llevar a fructificar a cualquiera de las técnicas.

TÉCNICAS DE SEXADO GENÉTICO

En muchas aplicaciones de control autocida, sería eficiente separar los machos de las hembras antes de la liberación. Las posibles razones de tal separación son evitar el apareamiento mezclado; evitar cualquier incremento de la población silvestre durante un proceso de control genético; eliminar insectos extremadamente ofensivos o que causen daño a productos agrícolas o animales o hembras que pueden ser vectoras de enfermedades,. Otra razón de usar un procedimiento de sexado genético es lograr economía de costos en los procesos de cría si se pudiera eliminar uno de los sexos en el estado de huevo (sexado prezigótico). En este caso, se podrían producir dos veces más insectos (de un sexo) con un determinado gasto de dieta y mano de obra.

Por tanto, para muchos insectos plagas la remoción de hembras durante el proceso de cría ha sido un objetivo en la investigación de control autocida. Los esfuerzos más exitosos han sido con un mosquito, Anopheles albimanus, la mosca del Mediterráneo, Ceratitis capitata, y la mosca de los establos, Stomoxys calcitrans. Se ha demostrado que son posibles dos de estos enfoques. En el caso de la mosca del Mediterráneo se ha usado una combinación de separación mecánica de los sexos y manipulación genética. El color de las pupas de tipo silvestre es marrón. El color de las pupas mutantes, bien sea blancas o negras, se ha asociado con los cromosomas sexuales por medio de translocaciones cromosómicas simples o múltiples. Por este medio se producen razas en las cuales las pupas macho son negras y las hembras son de color marrón. Entonces las pupas son separadas electrónicamente por medio de circuitos de reconocimiento de color o por una seleccionadora de aire. Algunas desventajas de esta técnica son la posible descomposición de las reservas de translocamiento debido a desplazamientos genéticos, contaminación de la raza por individuos de tipo silvestre y esterilidad parcial de la raza debido a la translocación.

Si no se puede encontrar uso para las hembras criadas, entonces valdría la pena eliminarlas antes de que consuman una dieta costosa. Se ha propuesto un número de esquemas para lograr la remoción de las hembras en el estado de huevo o a comienzos del estado larval. En algunas especies, se han seleccionado alelos resistentes a productos químicos tóxicos específicos, tales como alcohol etílico, endrin, purina, sorbato de potasio, dieldrin, ciromazina y propoxur. Luego, se inducen translocaciones entre uno de los cromosomas sexuales (usualmente el cromosoma Y) y el cromosoma portador del locus de resistencia. Cuando la substancia tóxica es introducida en la colonia, solo sobrevive el sexo portador del alelo resistente. Este método ha sido exitoso para tres especies de mosquitos y ha comenzado a ser investigado activamente para la mosca del Mediterráneo.

TÉCNICAS DE GENÉTICA MOLECULAR

La demostración de la transformación genética de D. melanogaster con vectores transponibles (elementos P) creó la esperanza de que técnicas similares pudieran ser empleadas en otras especies de insectos. Por lo menos, la demostración de que se pueden introducir secuencias de DNA exógeno en líneas germinales de Drosophila ha sugerido nuevos enfoques que pueden llevarse a cabo con otras especies de insectos.

Desafortunadamente, los intentos de usar elementos P de Drosophila como vectores de DNA exógenos aún no han tenido éxito en insectos no drosofílidos. Habrá que descubrir vectores genéticos alternos. Algunas posibilidades de vectores están en varios virus de insectos, tales como los baculovirus, los cuales podrían formar transformaciones estables. Los investigadores también están buscando en otras especies de insectos elementos transponibles análogos a los elementos P de Drosophila.

Algunas de las técnicas desarrolladas en genética molecular que pueden ser útiles en programas de control autocida para insectos plagas incluyen: hibridación de ácido nucleico, restricción del mapeo de cromosomas, secuenciación de nucleótidos, clonación de secuencias de DNA, inserción de DNA recombinante (transformación), y desarrollo de anticuerpos monoclonales.

Los obstáculos al progreso en el uso de genética molecular para control de insectos son: 1) falta de un vector general para transferencia de genes, 2) falta de criterios selectivos apropiados para determinar los loci útiles, 3) incertidumbre sobre cuáles son las modificaciones genéticas que probarán ser más perjudiciales a una especie dada, 4) falta de conocimiento de la biología genética básica de la mayoría de insectos plagas. Ninguno de estos obstáculos es insalvable.

INTEGRACIÓN EN PROGRAMAS DE MANEJO DE PLAGAS

El método de liberación de insectos estériles y otras técnicas de control autocida son completamente compatibles con otros tipos de control de insectos que podrían ser usados en programas de MIP. De hecho, E. F. Knipling siempre ha insistido en que el control autocida debe ser integrado con otras medidas con el fin de que sean usadas de la manera más efectiva. Las tecnologías de control autocida son más eficientes y económicas cuando las poblaciones de insectos plagas ya están en niveles bajos. Una razón para esto es que estas técnicas generalmente involucran la liberación de insectos criados en un laboratorio (o fábrica). Entonces, el número de insectos que se puede criar determinará el tamaño del área de liberación. Si en un área de liberación hay menos insectos nativos, entonces se logrará una proporción de liberación más alta o se podrá cubrir un área más grande.

Cualquier medida de control de insectos que reduzca las densidades de poblaciones bien sea antes o durante la aplicación de un programa de control autocida mejorarán la efectividad de ambos procedimientos. Por ejemplo, el uso de organismos de control biológico generalmente es muy efectiva a altas densidades de la plaga, pero pierde eficiencia a medida que la densidad de la plaga disminuye. Entonces, un Programa de Liberación de Insectos Estériles (Sterile Insect Release Program) sería un accesorio natural de cualquier tipo de programa de control biológico. Este mismo razonamiento se aplica al uso de insecticidas para reducir altas poblaciones de plagas y el uso de feromonas en programas de confusión. Los métodos de control cultural, los cuales generalmente se usan para reducir las poblaciones de plagas durante sus estados más vulnerables a lo largo del año, son completamente compatibles con el uso de programas de control autocida porque estos últimos programas generalmente serían usados durante el tiempo de alto potencial reproductivo de la especie objetivo. Es difícil pensar en un Programa de Manejo Integrado de Plagas que no sea realzado con la adición de una técnica de control autocida.

REFERENCIAS

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Última modificación: sábado 17 de febrero de 1996
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