104712074 Bioplaguicidas Y Control Biologico

BIOPLAGUICIDAS YCONTROL BIOLÓGICO

Editor:Ricardo Hugo Lira-Saldívar

RICARDO HUGO LIRA-SALDIVAR. Ingeniero Agrónomo egresado de la UAAAN en Saltillo, Coah. Obtuvo su maestría en el ITESM de Monterrey, N. L., su doctorado en la University of California, Davis. Obtuvo un Diplomado en la Ben Gurion University of the Negev de Israel. Es Profesor-Investigador Titular “C” del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) de Saltillo, Coah.

Es autor del libro Fisiología Vegetal (Editorial Trillas); editor de Lisimetría: Estudios de Evapotranspiración (SARH-INIFAP); Bioplaguicidas y Control Biológico; así como Agricultura Sustentable y Biofertilizantes (co-editados por CIQA-UAAAN y COFUPRO). Ha publicado diecisiete artículos con arbitraje en revistas nacionales e internacionales; tiene cinco patentes de invención registradas en el IMPI. Sus líneas de investigación se orientan a prácticas de agricultura ecológica incluyendo biofumigación y solarización de suelos; bioplaguicidas naturales y el uso de bacterias antagonistas y promotoras del crecimiento de plantas. Ha sido evaluador de proyectos de fondos mixtos y sectoriales del Conacyt: Sireyes-Conacyt; Sivilla-Conacyt; Fomix Durango-Conacyt; Fomix San Luis Potosí-Conacyt; Conacyt-Cyted.

Fungió diez años como Director Estatal en Coahuila del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (INIFAP); es integrante del Sistema Nacional de Investigadores nivel uno; ha sido presidente electo del Colegio de Ingenieros Agrónomos de Coahuila A. C. Es Editor Asociado de la Revista Mexicana de Fitopatología; es árbitro en Biological Agriculture and Horticulture; Physiological and Biochemical Zoology y de la Revista Chapingo Serie Horticultura.

Es o ha sido integrante de las siguientes sociedades: The Society for Medicinal Plant Research; The Internacional Association for the Plant Protection Sciences; Society for the Advancement of Plant Sciences; The Phytochemical Society of North America; American Society for Plasticulture; Sociedad Mexicana de Fitopatología; Sociedad Mexicana de Ciencias Hortícolas; Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo y otras.

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r Los agrónomos, así como otros profesionistas estamos conscientes de las graves consecuencias que se ciernen sobre el hombre y los ecosistemas si no se realizan acciones correctivas en muchas de las actividades agrícolas que tienen efectos nocivos sobre el ambiente y, por lo tanto, sobre el propio ser humano. También estamos convencidos de que debemos crear conciencia respecto al cuidado de los ecosistemas y a promover la utilización de técnicas sustentables y amigables con el ambiente, así como apoyar la formación de estudiantes de licenciatura y postgrado cuyos fundamentos teórico-prácticos y experiencia científica, les permita participar en la resolución de los problemas de conservación del suelo, agua y la biodiversidad, mediante investigación, planeación y aplicación de alternativas tecnológicas de manejo integrado de los recursos naturales, acordes con la preservación del ambiente.

Por lo antes señalado, el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN) se vincularon para realizar en las instalaciones de esta Universidad, el Simposio Internacional de Agricultura Sustentable, el cual se celebró del 24 al 26 de octubre de 2007. Los participantes del evento y autores de los trabajos que aquí se publican son distinguidos especialistas en temas relacionados con la agricultura sustentable o ecológica de los países de España, Israel, Hungría, Estados Unidos, Chile, Costa Rica, Panamá y México.

Los temas que se abordan son los siguientes: Bioplaguicidas de origen orgánico; Control biológico de malezas, hongos e insectos; Bacterias antagonistas de organismos fitopatógenos; Extractos y aceites escenciales con propiedades antimicrobiales; Manejo agroecológico de plagas; y la Biotecnología en la agricultura sustentable.

BIOPLAGUICIDAS Y CONTROL BIOLOGICO

Editor

Ricardo Hugo Lira-Saldivar

Fundación

PRO Nuevo León, A.

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CONTENIDO

Prefacio Introducción SECCIÓN I. BIOCOMPUESTOS CON ACTIVIDAD ANTIMICROBIAL 1. Bioplaguicidas de Origen Vegetal: El Caso de los Extractos y Productos 3 Derivados de la Gobernadora (Larrea tridentata) R.H. Lira-Saldívar, M. Hernández-Suárez, C. Chávez-Betancourt y E. Cuellar V. 2. Bioplaguicidas Naturales para la Protección de Cultivos 19 A. González-Coloma, M. Reina, B.M. Fraga, C.E Díaz, R. Cabrera 3. Potencial de los Fitoquímicos Como una Alternativa Segura para el 31 Control de Insectos de Productos Almacenados y Flores de Corte Shaaya E. y M. Aro Kostyukovsky 4. El Futuro de la Química de Protección de Cultivos. Mezclando Viejas y 44 Nuevas Tecnologías en Investigación y Producción I. Ujváry 5. Prospectiva del Empleo de Alternativas Naturales Para Controlar 61 Enfermedades Postcosecha A.N. Hernández-Lauzardo, S. Bautista-Baños y M.G. Velázquez-Del Valle 6. Actividad Fungicida de Extractos de Cestrum nocturnum L. y su Efecto 73 en la Calidad Poscosecha de Frutos de Papaya (Carica papaya L.) M. Ramos-García, S. Ortega-Centeno, S. Bautista-Baños, I. Alia-Tejacal y D. Guillén-Sánchez 7. El Insecticida Botánico Neem (Azadirachta indica A. Juss): Ejemplo 82 de Agricultura Sustentable en la India con Potencial Para México P. Tamez-Guerra, G. Núñez-Mejía 8. Paradigmas en el Uso de Infoquímicos en el Esquema de Manejo 94 Integrado de Plagas R. Gamboa-Alvarado, J. Berni-Medina, E. Cerna-Chávez, A. Acosta-Zamarripa y P. Cerda-García

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SECCIÓN II. BIOCONTROL DE INSECTOS, MALEZAS Y HONGOS 9. Bioinsecticidas para una Agricultura Sustentable con Énfasis en 104 Latinoamérica P. Tamez-Guerra, G. Damas y V. Obregón-Barbosa 10. Control Biológico de Malezas en Latinoamérica: Situación Actual y 119 Perspectivas Futuras J. Medal y N. Bustamante 11. Biological Control of Saltcedar (Cedro salado) (Tamarix spp.) in the United 126 States, with Implications for Mexico C.J. Deloach, A.E. Knutson, P.J. Moran, G.D.J. Michels, D.C. Thompson, R.I. Carruthers, F.L. Nibling and T.G. Fain 12. Manejo Agroecológico de Plagas, Una Opción Necesaria Para la 156 Sostenibilidad de la Agricultura en México F. Bahena-Juárez 13. Control Biológico de Organismos Nocivos en la Agricultura Mexicana 176 L.A. Rodríguez-Del-Bosque 14. Hacia una Nueva Concepción del Manejo de Plagas: el Enfoque 185 Agroecológico G.G. Rivas-Platero 15. Presente y Futuro del uso de Microorganismos y la Biotecnología 195 en la Agricultura Sustentable L.J. Galán-Wong, K. Arévalo-Niño, L.A. Galán-Franco y H.A. Luna-Olvera 16. Importancia de Bacillus thuringiensis como Agente de Control 206 Biológico de Plagas en una Agricultura Sustentable K. Arévalo-Niño, L.J. Galán-Wong y C. Solís-Rojas

VI

Prefacio Somos testigos de una terrible polarización de los problemas que enfrenta la humanidad. Los ciudadanos en general y la propia comunidad científica son bombardeados cotidianamente por los medios masivos de comunicación, con los impactos ambientales que el propio hombre y su tecnología han generado, amenazando y poniendo en peligro la vida misma en el planeta. Surgen nuevas organizaciones, se fortalecen los grupos ecológica y ambientalmente orientados, se realizan conciertos mundiales para alertar y recolectar fondos para salvar la Tierra, se organizan cumbres, foros, reuniones, conferencias, se publican libros, películas, documentales, artículos y revistas que tratan estos temas de manera profusa; se imponen agendas ambientales a los países menos desarrollados, se destinan millonarias sumas a proyectos para secuestrar carbono o reducir el calentamiento global. En suma, vivimos entre la ciencia y la ficción, entre la información con sustento y validez científica y la propaganda política, entre el pesimismo moderado y el optimismo irresponsable. ¿Cuál es la verdad detrás de estos movimientos de alcance mundial?; ¿Será cierto el dicho tan común en México de que “la verdad no peca pero incomoda”?; ¿Quién o quienes tienen la razón?; ¿Representa un nuevo escenario de lucha político-ideológico entre la muy desvanecida línea entre la derecha e izquierda, entre los globafílicos y globafóbicos, entre los países ricos y los que se debaten en la pobreza y pobreza extrema?. John R. Ehrenfeld en su reciente artículo titulado Beyond Sustainability nos ayuda a aclarar este panorama borroso al proponernos un nuevo discurso para tratar el tema de la sustentabilidad. Sugiere que la veamos como una posibilidad humana, en la que toda forma de vida incluyendo la humana perdure indefinidamente en la Tierra. El crear un mundo sustentable debe de fundamentarse en la acción social; la sustentabilidad no es un medio, es un fin, una utopía, una desiderata, a la que solo puede aspirar el espíritu humano. La ciencia, las prácticas y métodos tecnológicos deben tener rostro humano. El cultivo de la tierra debe de partir, debe fundarse en el cultivo del hombre. La agricultura, por tanto, para que pueda considerarse sustentable, implica una nueva mentalidad para tratar los problemas ambientales, un enfoque holístico en el que el primer elemento es el hombre y su posibilidad de producir, de aprovechar los recursos sin disminuir la capacidad del ecosistema para que la especie humana y toda forma de vida prosperen infinitamente. En este libro, editado por el investigador R. Hugo Lira S., se reúnen las aportaciones de diversos estudiosos reunidos en torno al Simposio Internacional de Agricultura Sustentable, co-organizado por la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro y el Centro de Investigación en Química Aplicada en Octubre de 2007. Este libro es el fruto del esfuerzo y grandeza humanos. Su cometido es contribuir a la edificación de un futuro sustentable para el ecosistema Tierra.

“Tlalticpac Toquichtin Ties "La Tierra Será Como Sean los Hombres

Jorge Galo Medina Torres

VII

Introducción

El uso intensivo e indiscriminado de pesticidas ha provocado el desarrollo de resistencia de los microorganismos a los agroquímicos sintéticos, lo que ha ocasionado un inevitable incremento en las dosis empleadas para su control, esto conlleva a una mayor contaminación ambiental y más problemas de salud para los humanos. Un dramático ejemplo de los problemas que se está causando al medio ambiente se ejemplifica con el impacto ecológico ocasionado por el bromuro de metilo, usado como fumigante de suelo, del cual se usan más de 80,000 toneladas al año que, después de ser aplicadas al suelo, se evaporan a la atmósfera, se mueven hasta la estratosfera y están contribuyendo a la desaparición progresiva de la capa de ozono sobre la Antártica.

Las actividades agrícolas sustentables que utilizan técnicas y productos amigables con el ambiente, así como los alimentos orgánicos producidos sin pesticidas ni agroquímicos de síntesis resultan en productos sanos para el consumidor y con grandes beneficios al medio ambiente, antes, durante y después de su producción, es lo que actualmente está siendo demandado en todo el mundo, ya que los sistemas de producción ecológicos y orgánicos, permiten la conservación y mejoramiento de los recursos naturales, tales como agua, suelo, aire, biodiversidad, etc., además están basados en normas de producción inocuos desde el punto de vista social, ecológico y económico. La agricultura sustentable o sostenible es un sistema de producción fácilmente adaptado por miles de productores mexicanos, quienes entre otros factores favorables encuentran: tecnología accesible; mercado internacional y nacional abierto; la gran diversidad climática de México permite el desarrollo integral de estos sistemas de producción, y finalmente está claro que cada vez hay más consumidores concientes ambientalmente pero que también están preocupados por su salud y por los alimentos que ingieren.

Es importante señalar que el impulso de la agricultura ecológica, está teniendo una gran influencia en la cooperación internacional y en los planes y programas de desarrollo de México y muchos otros países del mundo; es por esta razón y convencidos de la bondad de impulsar la investigación así como la educación agrícola superior en torno a la conservación de los agroecosistemas, que el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN) convocaron a la comunidad científica a participar en la realización del Simposio Internacional de Agricultura Sustentable. En el marco de este evento se logró editar este libro, en el cual se conjuntaron las valiosas aportaciones de distinguidos científicos mexicanos y extranjeros que reflejan en gran medida el estado actual del conocimiento en diversos temas sobre los cuales se apoyan prácticas agrícolas orientadas a la obtención de alimentos sanos y sin deterioro del medio ambiente. De esta forma hemos tratado de realizar una modesta aportación para los jóvenes estudiantes, técnicos e investigadores que poco a poco vienen tomando conciencia en torno a la creciente corriente del Desarrollo Agrícola Sustentable.

Ricardo Hugo Lira-Saldivar

Agradecimientos

Especial reconocimiento se hace a la Región Noreste de la COFUPRO copatrocinadores de esta obra

Presidentes:

COFUPRO (Coordinadora Nacional de las Fundaciones PRODUCE, A. C.)

Sr. Carlos Baranzini Coronado

COAHUILA Ing. Bernabé Iruzubieta Quezada

CHIHUAHUA Ing. Pedro Ferreiro Maíz

DURANGO C. P. Salvador Rodríguez Berumen

NUEVO LEÓN Ing. Antonio Manuel García Garza

TAMAULIPAS Ing. Jaime Sánchez Ruelas

M. C. Lorenzo J. Maldonado Aguirre Gerente Regional Sección Noreste

BIOPLAGUICIDAS Y CONTROL BIOLÓGICO

SECCIÓN I

Biocompuestos con Actividad Antimicrobial.

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Capítulo I

R.H. LIRA-SALDÍVAR1, M. HERNÁNDEZ-SUÁREZ1, C. CHÁVEZ-BETANCOURT, F.D. HERNÁNDEZ-CASTILLO y E. CUELLAR-VILLARREAL2 1Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo, Coah. 2INIFAP-CESAL, Saltillo, Coah., México.

Resumen

Un aspecto metabólico que distingue el reino animal del vegetal es la capacidad de las plantas y los hongos para producir sustancias que no son esenciales para su supervivencia. A esas sustancias se les denomina metabolitos secundarios. Existen gran cantidad de tipos de metabolitos secundarios en las plantas y se pueden clasificar según la presencia o no de nitrógeno en su composición; los tres grupos de metabolitos secundarios más importantes en plantas son los terpenoides (o isoprenoides),

Bioplaguicidas de Origen Vegetal: El Caso de los Extractos y Productos Derivados del Arbusto de Gobernadora (Larrea tridentata)

Biopesticides from Plants: The Case of Extracts and Products Derived from Creosote Bush (Larrea tridentata)

fenilpropanoides (o compuestos fenólicos) y los alcaloides (este último grupo lleva nitrógeno en su estructura). La gobernadora o creosote bush (Larrea tridentata), es un arbusto perenne de los desiertos Chihuahuense, Sonorense y Mojave de Norteamérica. Una característica de esta planta es que sus hojas contienen una espesa resina que se comporta como un antitranspirante debido a que forma una barrera que disminuye la transpiración. Los metabolitos secundarios de la resina (entre los que destacan fenoles, lignanos y flavonoides), resultan ser defensas bioquímicas para repeler la agresión de animales herbívoros, hongos y otros microorganismos, ya que no se conocen plagas, enfermedades o animales que ataquen esta planta.

Numerosos estudios han demostrado que los extractos de gobernadora tienen acción antifúngica bajo condiciones in vitro en al menos 17 hongos fitopatógenos de importancia económica; de igual manera, extractos y material vegetativo molido e incorporado al suelo han confirmado inhibir o controlar in vivo seis hongos en cultivos agrícolas. Algunos trabajos también han consignado el efecto nematicida o nematostático de L. tridentata contra nueve géneros de nematodos y repelencia en un insecto. Por otro lado, bioensayos con microorganismos que atacan a humanos han reportado que mas de 45 bacterias son susceptibles a la resina de L. tridentata o sus constituyentes, así como diez levaduras, nueve hongos y tres parásitos intestinales. El efecto antiviral de la gobernadora también

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CAPÍTULO 1

se ha documentado, indicando que los flavonoides de la resina son activos contra virus que afectan el RNA, y que ocasionan graves enfermedades como polio, sida y herpes. Con base en esta información, queda claro el potencial que tiene este arbusto de las zonas áridas para elaborar productos orgánicos vegetales derivados de su resina, que ayuden a promover una agricultura sostenible y de menor impacto ambiental.

Abstract

A metabolic characteristic that distinguishes the animal kingdom from the plant is the capacity of plants and fungi to produce substances that are not essential for their survival. Those substances are denominated secondary metabolites. There are a great quantity of secondary metabolite types in plants and they can be classified according to the presence or not of nitrogen in their composition; the three groups of more important secondary metabolites in plants are the terpenoids (or isoprenoids), fenilpropanoids (or phenolic compounds) and the alkaloids (this last group contains nitrogen in its structure). Creosote bush or gobernadora (Larrea tridentata) is a perennial shrub from the Chihuahuan, Sonoran and Mohave deserts of North America. A very distinctive characteristic of this xerophytic shrub is that the leaves contain a thick resin, which behaves as a barrier that diminishes transpiration more than the rate of CO2 assimilation. Resin secondary metabolites like phenols, lignans and flavonoids, appear to be biochemical defenses that repel the aggression of herbivores, fungus, and other microorganisms; since there are no known pests, diseases, or animals that attack this plant.

Numerous studies have established that creosote bush extracts have antifungal activity under in vitro

conditions in at least 17 plant pathogens of economic importance; likewise, extracts and ground plant parts incorporated in soil have been confirmed in vivo to inhibit or to control six molds in agricultural crops. Some studies also have reported the nematicidal or nematostatic effect of L. tridentata against some nematode genera, and the ability to repel one insect. On the other hand, bioassays with microorganisms that attack humans have verified that 45 bacteria or more, are susceptible to L. tridentata resin or it constituents, as well as ten yeast, nine mold and three intestinal parasites. The antiviral effect of creosote bush also has been documented, demonstrating that flavonoids are active against a virus that affects RNA, and some others that cause severe diseases like polio, AIDS and herpes. Based on this information, it is clear that the resin from this shrub which grows in arid zones has the potential for the development of organic plant products, that can be used to support and promote a sustainable agriculture with low environmental impact.

Introducción

La mayoría de los libros de texto relacionados con el uso de pesticidas para su empleo en la producción de cultivos agrícolas tratan básicamente el tema de agroquímicos sintéticos, los cuales se empezaron a utilizar abundantemente en los años posteriores a la segunda guerra mundial; en muy pocos casos los libros sobre este tema cubren aspectos relacionados con los ingredientes activos de las plantas, así como los extractos y aceites escenciales que de ellas se obtienen para ser empleados como pesticidas orgánicos. Los extractos de plantas con propiedades antimicrobiales han venido recibiendo una renovada atención en los últimos años debido a las presiones sociales de grupos ambientalistas, de gobiernos de países desarrollados, y más recientemente de organismos no

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Bioplaguicidas de Orígen Vegetal

gubernamentales que demandan el uso de productos que promuevan una agricultura sustentable para beneficio de humanos, animales, y los ecosistemas.

Algunos de los primeros pesticidas naturales. A través de la evolución las plantas has venido desarrollando compuestos fitoquímicos que tienen actividad defensiva contra plagas que las atacan. Más de 2,000 especies de plantas con propiedades insecticidas han sido caracterizadas mundialmente (Grainge and Ahmed, 1988); por otro lado, en México Montes-Belmont et al, (2000) señalan que se han probado más de 200 especies de plantas contra la actividad de unas 26 especies de hongos fitopatógenos, tanto en pruebas de laboratorio, invernadero y campo. La formulación de productos vegetales utilizados han sido: extractos acuosos, metanólicos, etanólicos y hexánicos; polvos, aceites escenciales y metabolitos secundarios antifúngicos. Históricamente los productos botánicos han sido usados mucho antes que cualquier otra clase de pesticidas sintéticos. En la antigüedad los chinos, griegos y romanos usaron extractos de plantas mezclados con azufre y arsénico (NAS, 1969; Tschirley, 1979). En los trópicos de la India el uso del árbol de neem (Azdirachta indica) ha sido reportado en antiguos manuscritos que datan desde hace más de 4,000 años (Larson, 1989).

Nicotina y otros alcaloides. En el siglo 19 algunos compuestos de origen vegetal fueron identificados y frecuentemente utilizados como repelentes o toxinas, incluyendo alcaloides extraídos de varias plantas relacionadas con el tabaco (Nicotiana tabacum, N. rustica y N. glauca). La nicotina es un alcaloide (C10H14N2) muy estable que actúa en el sistema cardiaco y nervioso. Solo el isómero de la nicotina natural tiene efectos insecticidas. Su volatilidad lo hace un fumigante excelente cuando es estabilizado como sal, en la forma de sulfato, oleato o

estearato, mejorando sus propiedades insecticidas cuando es ingerido (Regnault-Roger et al., 2005). En la actualidad este biocompuesto es utilizado principalmente en mezclas como sulfato en soluciones alcalinas o con jabones como fumigante o como aerosoles de contacto para su uso en invernaderos (Weinzeirl, 1998). Las propiedades insecticidas de otros alcaloides de origen vegetal también se han venido utilizando comercialmente desde el siglo pasado.

La anabasina extraída por primera vez de plantas del género Chenopodiaceae era vendida en Europa y América bajo el nombre de “Nicotina rusa”. Este es un isómero de la nicotina, por lo cual es más toxica que la nicotina para el áfido Aphis rumicis. Existe otro producto llamado Veratina extraído de Veratrum album que también posee una acción insecticida de contacto contra diversos áfidos. Otro insecticida alcaloide derivado de Ryania spp. (Liliacea) nativa de algunas regiones del Caribe y de la cuenca del Amazonas, el cual es llamado rianodine (C26H37NO9) ha sido comercializado desde mediados del siglo pasado en los EUA. Su principio activo es 20 veces más toxico a mamíferos que a los insectos y su toxicidad contra el perforador del maíz (Ostrinia nubilalis) es similar al DDT.

Rotenona y rotenoides. La rotenona es un producto natural de un gran interés para ser utilizado en la producción agrícola. Desde mediados del siglo XVII, pobladores de Sudamérica observaron que raíces molidas de algunas plantas leguminosas les permitían capturar peces de agua dulce; en 1848 esos extractos fueron adicionados a compuestos con propiedades insecticidas por primera vez, los cuales habían sido aislados de Lonchocarpus nicou una planta del género Papilionaceae, que actualmente se le ha dado el nombre comercial de rotenona. Diversos

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pesticidas en esta familia fueron usados ampliamente como insecticidas comerciales hasta mediados de la década de 1940. La producción orgánica de cultivos ha mostrado un renovado interés en utilizar la rotenona asociada con piretroides, así como con compuestos conteniendo cobre y/o azufre. Este bioinsecticida que puede persistir en el follaje durante 3 a 5 días ha mostrado ser muy eficaz contra el escarabajo colorado de la papa (Leptinotarsa decemlineata), el cual ha desarrollado resistencia a muchos insecticidas sintéticos.

Piretroides. Durante el siglo XIX comenzaron a aparecer los reportes de que pobladores de Europa del este estaban utilizando insecticidas botánicos obtenidos de flores molidas de diversas especies de Chrysanthemum. Durante las guerras Napoleónicas las formulaciones de esta flor fueron utilizadas contra los piojos (Ware, 1991). Las piretrinas son aisladas de plantas de la familia Asteraceae que se cultivan comercialmente el Japón, Yugoslavia, Kenya, Tanzania y Ecuador. La actividad insecticida de las piretrinas se deben principalmente al compuesto denominado piretrum, termino que se aplica a una mezcla de esteres como piretrina, cinerina y jasmolina.

Debido a su baja toxicidad en mamíferos y su rápido efecto de knockout, los piretroides tienen un enorme éxito el cual se ha incrementado por la incorporación se sinergistas de origen vegetal o de ciertos antioxidantes que reducen su inestabilidad. Estos compuestos naturales alteran la transmisión del sistema nervioso al disminuir y cerrar los canales de Na+ de las membranas celulares, afectado así la capacidad de las neuronas. Consecuentemente los insectos intoxicados muestran una hiperactividad seguida de convulsiones, y posteriormente la muerte (Regnault-Roger et al., 2005). Si los piretriodes son ingeridos por mamíferos generalmente no son tóxicos ya que la dosis

letal para humanos es de 50-100 g (Lauwerys, 1990); sin embargo; causan irritaciones o síntomas alérgicos en algunas personas. Actualmente los piretroides sintetizados son unos pesticidas de gran importancia comercial a nivel mundial para su uso domestico como en plantas de ornato o cultivos agrícolas.

Azadiractina. A nivel mundial existe un gran interés por redescubrir las propiedades insecticidas y antimicrobianas de los extractos del árbol de neem (Azadirachta indica) por los científicos occidentales. Como antes se señalo este es un insecticida que tradicionalmente se ha venido empleando en la India desde tiempo inmemoriales. Desde 1959 el trabajo de Schmutterer ha generado un considerable interés por este árbol de la familia Meliaceae. Miles de artículos científicos han sido publicados sobre el neem y varias conferencias internacionales se han organizado entorno a este tema. El neem se encuentra comercialemente disponible a nivel mundial bajo diferentes marcas comerciales como: Azatin®, Turplex®, Align®, Neemex®, Margosan-o® y muchos mas. Los ingredientes activos que le confieren las propiedades insecticidas y antimicrobiales del neem son debido a la alta concentración de fitoquímicos como limonoides y principalmente azaridactina y en menor medida a salanina, nimbini y sus análogos. Esos compuestos tiene diferentes actividades: las salaninas y las nimbinas inhiben el proceso alimenticio de los insectos. Generalmente los pesticidas derivados de esta planta tienen baja persistencia en el ambiente (vida media de 20 horas en el follaje después de ser aplicado), además, se degradan fácilmente por los microorganismos del suelo (vida media de 20 días).

Por último, los insecticidas de patente formulados a base de neem, han sido aprobados por la EPA (E.U.) para

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varios usos y están siendo producidos en forma comercial en algunos países. Existen tres tipos de formulaciones en América Latina: a) semilla o pasta molida, b) aceite formulado, y c) extractos formulados. Las formulaciones sofisticadas incluyen gránulos, polvos humectables, y concentrados emulsificables, entre otras, donde la adición de adyuvantes como el aceite de ajonjolí, lecitina, y ácido paramino-benzoico-PABA, aumentan su estabilidad e inhibición de la degradación por efectos de los rayos ultravioleta. La Dihidroazadiractina, un compuesto obtenido por hidrogenación del fragmento hidroxifluran de la azadiractina, actualmente se muestra como un prometedor compuesto estable y persistente en el campo (Tovar, 2000).

La gobernadora en las zonas áridas de México y suroeste de los Estados Unidos. Las áreas del semidesierto representan un gran potencial porque guardan una riqueza basada no tanto en su densidad, como en su especialización biológica, donde la flora y la fauna son el producto de miles de años de adaptación fisiológica para su sobrevivencia. Un caso típico de estas condiciones lo representa la gobernadora Larrea tridentata de la familia Zygophyllaceae. Esta especie perenne es la mas más ampliamente distribuida en las zonas áridas de los desiertos Chihuahuense, Sonorense y Mojave (Barbour, 1969). Se considera que México es uno de los países con mayor diversidad vegetal en el mundo, estimándose que tiene entre 23,000 y 30,000 especies de plantas (Montes-Belmont et al., 2000), muchas de ellas son endémicas de determinados ecosistemas y poseen una gran concentración de fitoquímicos bioactivos que pueden tener propiedades antimicrobiales contra hongos, bacterias e insectos. Una especie con estas características es la comúnmente llamada gobernadora o Creosote bush. En México este arbusto se le conoce con el sugestivo nombre de gobernadora por

su dominancia en las grandes extensiones de las zonas áridas del norte de México. Pero también se le conoce como sonora, tasajo, jarilla y hediondo o hediondilla por el peculiar olor que tiene, sobre todo después de una lluvia (Brinker, 1993).

Las hojas de este arbusto xerófito están envueltas en una gruesa capa de resina que es producida por tricomas glandulares durante el desarrollo de las hojas y puede llegar a formar parte del 20% del peso seco de las hojas (Rhoades, 1977) o más (Lira-Saldivar et al., 2003b). La resina tiene la propiedad de hacer menos digestivo el follaje, de manera similar al efecto que producen los taninos (Rhoades, 1977), también se comporta como un antitranspirante ideal debido a que forma una barrera en la superficie de las hojas que disminuye mas la transpiración que la tasa de asimilación de CO2 (Meinzer et al., 1990; González-Coloma et al., 1994). Se considera que la resina del follaje de la gobernadora funciona como un filtro contra la radiación solar UV, y protege a la planta contra el herbivorismo de insectos y animales (Barbour et al., 1977; Downum et al., 1988). Las arbustos de L. tridentata enfrentan fuertes presiones de animales herbívoros, debido a que las hojas están siempre verdes durante los meses del año sin lluvia, época en que son pocos los recursos vegetales que pueden encontrar insectos y animales, sin embargo, el herbivorismo en Larrea es muy limitado, lo anterior probablemente se debe a los metabolitos secundarios como los biopolímeros fenólicos y el ácido nordihidroguaiaretico (NDGA) que se encuentran presentes en la resina producida en hojas y tallos, los cuales resultan ser defensas bioquímicas para repeler el ataque de animales herbívoros, hongos y otros microorganismos (Valesi et al., 1972; Wisdom et al., 1987; Rundel et al., 1994).

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A continuación se presenta una revisión bibliográfica complementada con datos experimentales obtenidos en diversas condiciones, sobre el potencial biocida de los extractos resinosos obtenidos del follaje de de la gobernadora mediante diversos solventes orgánicos.

Distribución geográfica de la gobernadora. L. tridentata domina aproximadamente 17.5 millones de hectáreas desde el oeste de Texas hasta el sur de California en los Estados Unidos (Duisberg, 1952). Su rango en el Desierto Mojave va desde la parte sur de California y Nevada a la parte central de Arizona y Nuevo México, limitado por heladas invernales o lluvias excesivas de invierno. En la República Mexicana, la gobernadora se encuentra en parte del Desierto Sonorense, incluyendo los estados de Baja California Norte, Baja California Sur y Sonora, y en el Desierto Chihuahuense incluyendo los estados de Chihuahua, Coahuila, Nuevo León, Zacatecas, San Luís Potosí y Durango. Se estima que el 25% (500,000 km2) del territorio nacional está cubierto con este arbusto de las zonas áridas (Belmares et al., 1979).

Las razas de esta especie se caracterizan por ser diferentes en su número cromosómico, ya que las plantas del Desierto Chihuahuense son diploides (n = 13), las del Sonorense son tetraploides (n = 26) y las del Mojave son hexaploides (n = 39) (Sakakibara et al., 1976; Mabry et al., 1977). Su rango de adaptación en elevación es de menos del nivel del mar en el Valle de la Muerte en California, hasta más de los 2,500 metros en las sierras del norte de México (Van Davender, 1990). Crece bien en planicies secas y mesas, rodeando colinas y declives, y en varios tipos de suelos, excepto arcillosos, salinos o graníticos (Shreve y Wiggins, 1964). Su crecimiento ampliamente distribuido en áreas generalmente consideradas como improductivas ha conducido a hacer estudios de su potencial valor

comercial. Se ha estimado que la gobernadora representa una fuente potencial de más de un millón de toneladas de forraje seco y unas 100,000 toneladas de resina con un rendimiento anual sostenido cuando se coseche cada 2 a 4 años (Duisberg, 1952).

Descripción botánica. L. tridentata es un arbusto perenne xerófito siempre verde. Su edad puede exceder los 100 años, aunque algunas plantas pueden sobrevivir cientos o miles de años a través de reproducción vegetativa asexual, ya que las raíces producen brotes o retoños que después se convierten en nuevas plantas. La edad se determina por el tamaño de la corona radicular. La raíz crece solo cerca de 170 cm hacia abajo, pero se ramifica hasta mas de 4 metros lateralmente (Brinker, 1993). El tamaño de la planta varía de 0.5 a 4 metros en altura dependiendo de la lluvia de invierno o verano, y la altura promedio de la planta varía de acuerdo a su raza de ploidía (diploide 86 cm, hexaploide 112 cm y tetraploide 138 cm). No hay un tallo principal, pero las ramas gruesas crecen vertical u oblicuamente desde la corona radicular y se hace dicotómica lateralmente (Coyle y Roberts, 1975).

Las hojas son pequeñas y bifoliadas, de un verde oscuro a verde amarillento con cutículas gruesas y una capa resinosa, tienen pecíolos cortos y crecen opuestas en las ramas. Las flores son amarillas, usualmente aparecen al final del invierno o a principios de la primavera, pero pueden florecer en cualquier momento después de una lluvia; crecen cerca de las terminaciones de los retoños jóvenes como capullos solitarios con cinco pétalos .A través de autopolinización, el polen y néctar atraen muchas abejas (como 30 diferentes especies). Los frutos son pequeños (4 a 7 mm de diámetro), tienen una cubierta vellosa y contienen cinco semillas que se esparcen en primavera y al principio del otoño, las cuales son transportadas por el viento y la

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lluvia (Shreve y Wiggins, 1964; Coyle y Roberts, 1975).

Constituyentes fitoquímicos. Los principales compuestos en la resina de L. tridentata que han sido hasta ahora reportados en la literatura son muy numerosos. Destacan por su mayor contenido en base al peso seco del follaje los lignanos fenólicos, seguidos por las saponinas, flavonoides, aminoácidos y minerales. El compuesto más importante que se encuentra en la resina de las células cercanas a las capas epidermales superior e inferior de las hojas y tallos de L. tridentata es el ácido nordihidroguaiarético (NDGA), uno de los antioxidantes mejor conocido (Seigler et al., 1974). Químicamente se le ha descrito como beta, gamadimetil-alfa, delta-bis (3,4-dihidroxifenil) butano. Se ha determinado que este ácido tiene propiedades como antioxidante, antiinflamatorio, citotóxica, antimicrobial e inhibidor de enzimas (Mabry et al., 1977; Fernández, 1979; Brinker, 1993).

Este fuerte antioxidante se presenta en todas las especies e híbridos de Larrea, habiendo una ligera diferencia en concentración entre las razas de ploidía en lo que se avanza a través del Desierto Chihuahuense (2.62%) hacia el Sonorense (3.84%) y hacia el Mojave (4.86%), (Gisvold, 1948; Downum et al., 1988). El propósito del NDGA y su derivativo o-quinona es evidentemente un repelente de herbívoros (Janzen et al., 1977; Greenfield et al., 1987; Rundel et al., 1994). El ganado no consume normalmente el follaje de Larrea (Kearney y Pebbles, 1951; Zamora, 1988), pero puede hacerlo si la resina es removida, ya que es una excelente fuente de proteína, comparable a la alfalfa (Duisberg, 1952). La concentración de NDGA es de cerca del 50% de la resina que forma parte de un 10 a 15% del peso seco de las hojas (Sakakibara et al., 1976). También hay más de 20 flavonoides metil aglyconas que constituyen la otra mitad de la resina. Los

posibles efectos de todos los diferentes flavonoides y otros constituyentes son numerosos y variados. Los efectos combinados de estos constituyentes de L. tridentata apuntan hacia un sinergismo que amplía el efecto del compuesto activo primario (NDGA), esto sugiere la ventaja de usar un extracto de la estructura entera hoja/ramas en comparación con usar una preparación de NDGA purificado sintetizado.

Estudios interpoblacionales de L. tridentata realizados en el Desierto Sonorense revelaron que las concentraciones de NDGA encontradas en la resina de sus hojas variaron en función de la latitud y de la época del año (Downum et al., 1988), así como con factores ecológicos, ya que la concentración de NDGA puede verse reducida por la contaminación ambiental provocada por concentraciones elevadas de ozono (González-Coloma et al., 1988).

Propiedades antifúngicas in vitro de L. tridentata. Uno de los primeros trabajos sobre el efecto fungicida y/o fungistático de la resina de gobernadora reporta que al utilizar extractos crudos de cloroformo y etanol los hongos Rhizoctonia solani; Pythium sp. y Rhizopus nigricans fueron controlados in vitro, tanto con el extracto metanólico como con el clorofórmico; no fue el caso de Fusarium oxysporum, ya que con 1000 ppm de cada extracto, este hongo solamente se logró controlar en un 76 y 93%, respectivamente (Fernández et al., 1979). Posteriormente otros autores han venido corroborando in vitro las propiedades antifúngicas de la gobernadora, ya sea con productos obtenidos con diferentes extractantes, o bien con material vegetativo seco y molido. Los resultados obtenidos por Velásquez (1981), indican que el extracto de gobernadora que mejor efecto manifestó en estudios in vitro fue la fracción etanólica a dosis de 2,000 ppm

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observando un crecimiento nulo a los 15 días después de la inoculación del hongo Cytosporina sp., estado asexual de Eutypa armeniacae agente causal del brazo muerto de la vid; además inhibió la germinación de ascosporas de E. armeniacae a la misma dosis, pero con extractos en base a etanol y cloroformo.

Los estudios efectuados por Salazar et al. (1990) mostraron que el polvo de hojas y el extracto en acetona de L. tridentata también inhibieron in vitro el crecimiento de Pythium aphanidermatum. En el trabajo realizado por Vargas-Arispuro et al. (1997) sobre la actividad antiaflatoxigénica in vitro de 10 extractos vegetales, se destaca el efecto del extracto de L. tridentata obtenido con diclorometano, ya que inhibió en 92 y 86% respectivamente, el crecimiento de Aspergillus flavus y A. parasiticus; en cambio los extractos metanólicos tuvieron poco efecto sobre el crecimiento de ambos hongos. En un ensayo realizado por Lara et al. (1997) se aplicó gobernadora en polvo y extractos obtenidos con acetona y agua para estudiar el efecto inhibidor in vitro de estos productos de Larrea sobre Phytium ultimum. Los extractos se adicionaron al 2% (v/v) en el medio de cultivo 3P (selectivo a Pythiaceos) antes del vaciado, mientras que el polvo fue adicionado en la proporción antes mencionada a las cajas de Petri antes del vaciado. Los resultados de estos autores indican que el polvo y el extracto en acetona inhibieron el crecimiento de patógeno, en tanto que el extracto en agua tuvo un comportamiento similar al testigo. Por su parte, Verástegui et al. (1996) determinaron el efecto de extractos etanólicos de L. tridentata en el crecimiento de hongos, levaduras y bacterias que afectan la salud de humanos y animales. Sus resultados mostraron que los extractos de gobernadora inhibieron diversos actinomicetos y hongos entre los que destacan: Candida krusei, C. albicans, C. rugosa, Cryptococcus neoformans, C. laurenti y C. albidus, así

como las bacterias Listeria monocytogenes, Clostridium perfringens, Shigela dysenteriae, Yersinia enterocolítica y Proteus vulgaris.

Debido a que existen pocos funguicidas comerciales que han sido efectivos en inhibir la germinación de teliosporas de Tilletia indica, el agente causal del Carbón Karnal del trigo, Rivera-Castañeda et al. (2001), realizaron un trabajo para estudiar el efecto inhibitorio sobre este hongo de varios extractos de plantas del estado de Sonora. Sus resultados indican que la inhibición total in vitro del hongo ocurrió con 500 mg/ml del extracto de L. tridentata obtenido con diclorometano. Las teliosporas tratadas con este extracto no mostraron viabilidad cuando se transfirieron a medio de cultivo fresco, por lo que el extracto de gobernadora mostró su potencial como agente de control de T. Indica. En comparación, los extractos obtenidos de Chenopodium ambrosioides y Encelia farinosa sólo mostraron ser parcialmente efectivos contra T. indica. Al comparar el efecto de extractos etanólicos de resina de gobernadora obtenida de follaje colectado en los desiertos Chihuahuense (D.Ch) y Sonorense (D.S.), Balvantín (2001) encontró que el hongo Pythium sp. fue significativamente inhibido en su desarrollo micelial, aun con las dosis más bajas evaluadas, ya que con 500 ppm se logró una inhibición del 100% con el extracto del D.S., mientras que con esa misma dosis pero con el extracto del D.Ch. se redujo el crecimiento del hongo en casi un 70% en comparación con el testigo. En cuanto a los extractos provenientes del D.Ch. se observó un leve crecimiento del micelio con 1000 y 2000 ppm, pero a partir de 4000 ppm el hongo fue totalmente inhibido.

Lira-Saldivar et al. (2002) encontraron que los extractos metanólicos hidrosolubles de resina de L. tridentata colectados a diferentes latitudes (paralelos 24°,

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25°, 26°, 27° y 28°) en los D.Ch. y D.S. mostraron claramente una acción inhibitoria sobre el crecimiento del hongo F. oxysporum, revelando un marcado efecto diferencial en relación con la región geográfica donde se colectó el follaje de gobernadora, debido a que la mayor inhibición (90.28%) ocurrió con los extractos de latitudes sur del D.S. Una respuesta similar sobre el hongo Pythophthora infestans con extractos metanólicos obtenidos a través de un gradiente latitudinal ha sido reportada por Gamboa-Alvarado et al. (2003), quienes encontraron diferencias estadísticas significativas en la inhibición del patógeno con los extractos de ambos desiertos, siendo más eficaces los del D. S. Estos resultados aluden que las condiciones ecológicas donde se desarrollan los arbustos de Larrea tienen un efecto en las características fitoquímicas de la resina y consecuentemente en su acción antifúngica. El efecto fungitóxico sobre Alternaria solani de los extractos hidrosolubles etanólico, metanólico y clorofórmico obtenidos de poblaciones nativas de L. tridentata provenientes de los D.Ch y D.S. también fue consignado por Lira-Saldivar et al. (2003a). Ellos hallaron que el crecimiento micelial del hongo fue significativamente afectado a partir de 2000 y 4000 ppm, pero solamente se logró inhibirlo totalmente con los tres extractos de ambos desiertos a la dosis de 8000 ppm.

Con base en los avances hasta ahora señalados en

la literatura queda claro que los compuestos fitoquímicos presentes en la resina de gobernadora tienen una potente acción antifúngica in vitro contra diversos hongos fitopatógenos de gran importancia económica, algunos de ellos caracterizados por tener una gran capacidad metabólica como los pertenecientes a los géneros Aspergillus y Fusarium (Montes-Belmont, 2000). En los resultados antes documentados también se advierte que independientemente de los productos usados (etanol,

metanol, cloroformo, diclorometano, acetona, agua, etc.) para la extracción de la resina encontrada en las hojas de este arbusto, la efectividad para inhibir el crecimiento de hongos invariablemente es consistente, lo cual no deja dudas sobre la seguridad de sus propiedades antifúngicas. En cuanto a los principios activos encontrados en la resina de Larrea, diversos autores (Brinker, 1993; Gnabre et al.; 1995; Clark, 1999) señalan a los lignanos fenólicos y especialmente al NDGA que solamente es producido por esta planta, como el metabolito secundario que confiere las propiedades biocidas de la gobernadora, sin embargo, esto no ha sido plenamente demostrado con hongos fitopatógenos; quedando también pendiente la realización de trabajos de investigación para documentar en detalle el modo de acción de los extractos de L. tridentata sobre diversos microorganismos.

Efecto bactericida, nematicida y antiviral de L. tridentata y sus derivados. Muchas sustancias fenólicas son bactericidas porque reaccionan químicamente con los sistemas sensitivos de las enzimas y las vuelve catalíticamente inactivas (Tappel y Marr, 1954). Debido al efecto inhibidor en numerosos sistemas enzimáticos, L. tridentata y el NDGA tienen un amplio espectro de actividad como agentes antisépticos. Los estudios comparando varios extractos de L. tridentata mostraron que la fracción de NDGA no era responsable de toda la actividad antimicrobiana (Gisvold y Thaker, 1974, Zamora, 1988). La resina de Gobernadora ha probado tener efectos bactericidas y bacteriostáticas a bajas dosis, como lo demuestra el trabajo de Velásquez (1983) al evaluar in vitro diversas dosis del extracto etanólico contra las bacterias fitopatógenas Erwinia amylovora, E. atroséptica y Pseudomonas solanacearum, sus resultados revelaron que la resina de gobernadora presenta un efecto selectivo contra las tres bacterias evaluadas, al no inhibir aún a dosis

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de 2000 ppm el desarrollo de E. amylovora, mientras que el crecimiento de E. atroséptica fue relativamente mínimo, no así a dosis relativamente bajas (250, 500 y 1000 ppm), además los extractos de L. tridentata mostraron una excelente acción bactericida contra P. solanacearum aún a la dosis mínima.

En el bien documentado trabajo de Brinker (1993) enfocado a los usos etnobotánicos de L. tridentata se consigna que los estudios de laboratorio realizados por numerosos investigadores con microorganismos que atacan a seres humanos, han reportado que mas de 45 bacterias son susceptibles a la resina de L. tridentata o sus constituyentes, así como diez levaduras, nueve hongos y tres parásitos intestinales. El efecto de la resina de gobernadora como nematicida solo ha sido consignado en pocos casos. Huerta (1986) en su trabajo señaló que en pruebas in vitro, la resina etanólica de L. tridentata mostró una inactivación de los nematodos a los 27 min, mientras que en el testigo (agua) la actividad duró 3.5 h. Recientemente en un trabajo in vitro con nematodos colectados de suelo infestado donde se tenía sembrado melón, vid y nogal, se comparó el efecto de cuatro dosis (1000, 2000, 4000 y 8000 ppm) del extracto etanólico de gobernadora contra el nematicida comercial Mocap. Los resultados obtenidos por De Anda (2003) reportan un claro efecto nematicida con las dosis de 4000 y 8000 ppm, en este trabajo también se señala que el efecto de esas dosis resultaron ser estadísticamente iguales que el nematicida utilizado como referencia para comparar el efecto del extracto de gobernadora.

Una actividad muy interesante demostrada por ciertos constituyentes flavonoides de L. tridentata es el efecto antiviral reportado por los 3-metoxiflavonoides, incluyendo 3-metil-kaempferol, 3,3ʼ-dimetil-quercetin, y 3,7,3ʼ-trimetil-quercetin (Xue et al., 1988). En su estudio

se encontró que estos flavonoides son activos contra los virus que afectan el RNA, incluyendo polio, coxsackie B2 y rino virus, y también contra la estomatitis vesicular y el virus bunya. Las sustancias antes mencionadas son consideradas como verdaderos antivirales, ya que afectan la replicación de los virus y la iniciación de la síntesis de RNA (Zamora, 1988). La actividad antiviral de los metabolitos de L. tridentata también ha sido claramente detectada en el trabajo de Gnabre et al. (1995), donde se consigna que el lignano 3-0-methyl del ácido nordihydroguaiaretico aislado de la resina del follaje de la gobernadora tiene un efecto inhibidor en la actividad del virus del SIDA, ya que este lignano impide que el material genético de este virus se copie a si mismo, evitando así la replicación del virus.

Un reporte muy completo sobre las propiedades antivirales de L. tridentata contra el virus causante de los diferentes tipos de herpes encontrados en humanos ha sido presentado por Clark (1999), quien menciona que el extracto de esta planta es 1000 veces mas potente que las drogas sintéticas antivirales. En su trabajo se señala que cultivos de células de los virus causantes de herpes de los tipos HSV-1 y HZV sin extracto de Larrea fueron destruidas en 72 h, mientras que cultivos de células conteniendo 10-microgramos/ml del extracto de Larrea no fueron afectadas por el virus; los resultados clínicos de este autor indican que el derivado de gobernadora elimina mas rápido el virus del herpes que la droga Zovirax (acyclovir), la cual es específica para este virus. Otros constituyentes fenólicos aparte de los flavonoides que imitan la actividad biológica del NDGA incluyen los lignanos norisoguaiacin, ácido dihidroguaiaretico, y ácido dihidroguaiaretico parcialmente demetilado. El lignano norisoguaiacin demostró actividad antimicrobiana y antioxidante (Gisvold y Taker, 1974), así como en el transporte mitocondrial de electrones e inhibición enzimática (Partini et al., 1973). Las

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condiciones de enfermedad causadas por los organismos inhibidos incluyen las siguientes infecciones bacterianas: paratifoidea, ántrax, fiebre escarlata, nocardiosis, neumonía libar, infecciones en las heridas, infecciones del tracto respiratorio superior e urinarias y caries. El efecto en los organismos ha sido solamente demostrado in vitro (excepto de Streptococcus pneumoniae tipo II en ratones), así que no es muy difícil de asumir que los extractos de Larrea puede controlar exitosamente todas las infecciones arriba mencionadas (Brinker, 1993).

Propiedades de Larrea tridentata observadas in vivo. No son muchos los resultados generados in vivo con extractos, hojas o productos derivados de la gobernadora. Estudiando el efecto de residuos de L. tridentata sobre el hongo P. aphanidermatum y su efecto sobre la germinación y crecimiento de plántulas de frijol, Salazar et al. (1990) descubrieron que la muerte en la preemergencia fue más alta (80 al 100%) en los tratamientos inoculados con los patógenos, excepto en aquellos donde se adicionó gobernadora, en los cuales el porcentaje de germinación fue del 100%. Al evaluar la supervivencia de plántulas de tomate trasplantadas en un suelo infestado con los patógenos R. solani, P. aphanidermatum, P. capsici y con sus combinaciones, García et al. (1997) encontraron un notable efecto en el abatimiento del porcentaje de incidencia de mortandad de plantas de chile inoculadas con esos hongos, lo anterior se observó cuando se adicionó gobernadora molida en polvo en proporción de 1% p/p. Estos autores señalan que tratándose de P. capsici, lograr un abatimiento tan importante en el porcentaje de mortandad (de 54% en ausencia de gobernadora a 6.25% en presencia de Larrea al 1%), es prácticamente imposible, sin la aplicación de fungicidas sistémicos de alto costo económico. Con la finalidad de evaluar el efecto de la gobernadora sobre patógenos radicales, Lara et al. (1997)

sembraron bajo condiciones de invernadero semillas de frijol Canario 107 en suelo previamente infestado con los inóculos de R. solani y P. aphanidermatum, al cual se le agregó un polvo a base de hojas y ramas de gobernadora al 2% p/p. Ellos observaron que la muerte preemergente fue más alta (80 a 100%) en los tratamientos inoculados con los patógenos, excepto en aquellos adicionados con gobernadora, en los cuales el porcentaje de germinación fue del 100%.

El efecto de la gobernadora también ha sido estudiado sobre hongos de almacén productores de aflatoxinas, tal es el caso de Aspergillus flavus y A. parasiticus. Vargas-Arispuro et al. (1997) en su trabajo encontraron que los mejores resultados se obtuvieron con el extracto de Larrea a 500 ppm obtenido con diclorometano, ya que inhibió en 92 y 86% respectivamente el crecimiento de los hongos antes mencionados. En cambio, el extracto metanólico estudiado por estos investigadores tuvo poco efecto sobre el crecimiento de ambos patógenos. La acción benéfica de L. tridentata contra el ataque de los insectos en granos también ha sido documentado por Cortéz-Rocha et al. (1993). Ellos consignaron que la gobernadora provoca repelencia en insectos, ya que el gorgojo del frijol Zabrotes subfasciatus fue significativamente menos atraído a granos de frijol tipo pinto que se mantuvieron almacenados y que previamente habían sido tratados con polvo de hojas y flores de L. tridentata.

Por otro lado, en un trabajo donde se utilizó la técnica de solarización más la incorporación al suelo de un extracto etanólico hidrosoluble de L. tridentata a razón de 20 kg ha-1, Lira-Saldivar et al. (2003c) encontraron que las raíces de plantas de chile presentaron un ligero daño por patógenos del suelo (A. alternata, Phytium sp. y R. solani), mientras que en el tratamiento con solarización sin

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adición de extracto etanólico las raíces de las plantas de chile mostraron un incremento de 134% en la severidad del daño. En cambio, el suelo no solarizado que tampoco recibió extracto de gobernadora reportó un incremento de 567% en el daño radicular, en comparación con las plantas de parcelas solarizadas a las que se incorporaron 20 kg ha-1 del extracto.

Los estudios in vivo contra organismos fitopatógenos ya sea bajo condiciones de invernadero o campo son insuficientes, sin embargo, todos son consistentes al señalar un claro efecto inhibidor tanto de polvos de gobernadora, como de extractos de resina obtenidos con diversos solventes. Esta información es bastante limitada, ya que sólo se ha investigado la incorporación al suelo de polvos de hojas de Larrea y de un extracto hidrosoluble en polvo, sin embargo, el estudio de polvos humectables o suspensiones acuosas, ya sea asperjados al suelo, o aplicados en el sistema de riego por goteo o aspersión, antes o después de la siembra para buscar un efecto preventivo o curativo no ha sido abordado. Trabajos experimentales enfocados a analizar el efecto de la resina de gobernadora contra microorganismos fitopatógenos del follaje tampoco han sido documentados.

Poco o nada se conoce en relación con la época y dosis de aplicación, tanto para incorporar el producto al suelo como para aplicarlo al follaje; si los extractos fueran utilizados para aplicarlos al follaje es importante conocer si actúan como pesticidas de contacto o como sistémicos, y si tienen translocación basipétala o acropétala. Por las implicaciones para el follaje o frutos a cosechar es imperioso conocer la posibilidad de algún efecto fitotóxico. Debido a que es un producto de origen natural vegetal es necesario estudiar su tiempo de permanencia o degradación en el suelo. Seguramente las incógnitas que se plantean desde

el punto de vista del manejo agronómico de los productos derivados de la gobernadora son mas numerosas que las respuestas obtenidas hasta el momento, pero la amplia información generada con estudios realizados in vitro sobre una gran diversidad de microorganismos que atacan a plantas, animales y humanos, nos da la certeza de la bien documentada acción biocida de L. tridentata.

Conclusiones

Debido a que este arbusto perenne crece extensivamente en miles de kilómetros cuadrados de las zonas áridas; que no se encuentra amenazado en esos ecosistemas, ni se aprovecha en la actualidad, la utilización racional de este recurso forestal no maderable se apegaría a la Ley Forestal. Su aprovechamiento controlado sólo implicaría cosechar o podar el tercio superior del follaje, esta acción no es detrimental para la planta, si no por el contrario, serviría para promoverle un mayor vigor y brotación de las yemas jóvenes que posteriormente producirían nuevas ramas, hojas y más follaje, el cual podría aprovecharse cada dos o tres años. Finalmente, es pertinente señalar que los agroquímicos sintéticos han sido efectivos para controlar microorganismos fitopatógenos, sin embargo, a pesar de ser efectivos, su uso continuado o repetido por varias décadas ha roto el control biológico que se tenía mediante organismos naturales, esto ha ocasionado apariciones de plagas y enfermedades cada vez mas resistentes, efectos indeseables en organismos benéficos, así como problemas ambientales y para la salud humana. Por esta razón, existe una clara necesidad de desarrollar nuevas alternativas de manejo bioracional, sin, o con una reducida cantidad de pesticidas convencionales. Por esta razón, diversas plantas con propiedades biocidas como Larrea tridentata, pueden representar buenas opciones potenciales para enfrentar plagas de gran importancia

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económica, ya que son fuente primordial de fitoquímicos bioactivos, además son biodegradables, y relativamente no tóxicos para humanos, animales y el medio ambiente. En el contexto de técnicas agrícolas modernas de menor impacto ambiental orientadas hacia una agricultura sustentable, los extractos de gobernadora representan un posible biopesticida para múltiples usos agropecuarios y forestales.

Agradecimientos. A UC MEXUS y el CONACYT, así como SIREYES-CONACYT. También se agraece a Roberto Gamboa, Franciela Balvantín, Rosario Sánchez, Jesús Cruz-Blasí, Jorge de Anda, Daniel Hernández, Guillermo López, Luis Villarreal, Josefina Zamora, María Angélica Martínez Ortiz y Juana Estela Guerrero Torres, por el apoyo técnico recibido, así como por permitir el uso de materiales y equipo.

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CAPÍTULO 1

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SECCIÓN I


Capítulo 2

A. GONZÁLEZ-COLOMA1, M. REINA2, B.M. FRAGA2, C.E DÍAZ2 y R. CABRERA3. 1Centro de Ciencias Medioambientales, CSIC, Madrid, España, 2 Instituto de Productos Naturales y Agrobiología, CSIC, Tenerife, España, 3 UDI Fitopatología, Universidad de La Laguna, Tenerife, España.

Resumen

La protección de los cultivos implica la búsqueda histórica de productos defensivos de las plantas frente a las plagas. Este proceso implica la búsqueda de productos que eventualmente se puedan desarrollar a media-gran escala, que no sean tóxicos y que sean selectivos. El desarrollo de estos productos es similar al de los fármacos, basado en el descubrimiento y síntesis de nuevas moléculas que actúan sobre dianas específicas. Sin embargo, a diferencia de los fármacos, los bioplaguicidas se aplican a media-gran escala y por tanto para evitar su impacto medioambiental deben de ser degradables y no pueden presentar riesgo

Bioplaguicidas Naturales para la Protección de Cultivos

Natural Biopesticides for Crop Protection

toxicológico en humanos. Además su producción debe de ser sostenible y barata.

Abstract

Crop protection implies a historical search of defensive products obtained from plants to confront plagues. This process requires a search for products that are non-toxic and selective that can be produced on a medium or large scale. The development of these products is similar to that of pharmaceutical products based on the discovery and synthesis of new molecules that act on specific targets. But contrary to pharmaceuticals, bioplagicides are applied on a medium or large scale, and therefore, to avoid a negative environmental impact, they should be degradable and should not present toxicological risk to humans. Their production should also be sustainable and inexpensive.

Introducción

La necesidad creciente de métodos alternativos de control de plagas agrícolas respetuosos con el medioambiente se debe a los efectos negativos de los plaguicidas de síntesis, utilizados masivamente en décadas anteriores, como la aparición de resistencias en los organismos plaga diana, y a las regulaciones cada vez más restrictivas impuestas por la UE como consecuencia de la degradación medioambiental, la pérdida de biodiversidad,

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naturales sin embargo el reto actual requiere un nuevo enfoque en su estudio que incluya el

desarrollo y la producción sostenible de los mismos (Cordell, 2000).

Actualmente hay un cierto número de insecticidas botánicos comercializados a escala mundial,

como el “neem” (Azadirachta indica), nicotina, rotenona, y ryania. Así mismo los plaguicidas

botánicos incluyen nematicidas (Chitwood, 2002), fungicidas y nuevos herbicidas (Macías et al.,

2000).

Los bioplaguicidas representan el 3,26% del mercado mundial de plaguicidas, siendo los

insecticidas el grupo más importante. Un informe del Mercado Europeo de Bioplaguicidas (Frost

and Sullivan, 2001) revela que la tasa de crecimiento anual es del 10,1%, con tendencia a

aumentar. Se estima que hasta ahora los semioquímicos han alcanzado sólo el 20% de su

penetración potencial en el mercado.

El mercado principal de los bioplaguicidas lo constituye la agricultura ecológica, cultivos bajo

plástico, parques y jardines. Con una media de crecimiento anual del 30%, la agricultura ecológica

en la UE constituye uno de los mercados más dinámicos del sector agrícola, apoyada por la

legislación comunitaria (Council Regulation No 2092/91/EEC del 24 de Junio 1991). La existencia

de este mercado en expansión justifica la necesidad de desarrollar nuevos productos mediante la

investigación sistemática de plantas, de hongos e incluso de residuos agrícolas. Los extractos

obtenidos deberán ser sometidos a ensayos de actividad para pasar posteriormente al aislamiento e

identificación de las moléculas activas. Se deberán optimizar métodos de cultivo eficaz de aquellas

plantas que presenten una actividad de interés. Y para obtener los productos finales será necesario

aplicar métodos de extracción ambientalmente seguros.

El desarrollo de metodologías de producción reproducibles y sostenibles son una clara

alternativa a la síntesis orgánica a gran escala y debe incluir métodos de cultivo en campo y

artificial para cubrir un amplio espectro de especies de interés. El aspecto productivo se puede

abordar mediante el cultivo de las especies seleccionadas aplicando las siguientes técnicas:

Cultivo aeropónico y cultivo “in vitro” de raíces transformadas en ambiente controlado con el fin

de poder producir de forma no destructiva tanto parte aérea como raíz en un sistema artificial libre

de interferencias ambientales, contribuyendo a la conservación de la especie y su ecosistema

(Martin-Laurent, 1999, 2000; Giacomelli, 2002). Estos sistemas permiten obtener metabolitos de

forma sostenible (sin destrucción de la planta) de las raíces y parte aérea producidas en esas

condiciones, así como modificar las condiciones de cultivo mediante la inclusión de elicitores

químicos (metil jasmonato) (Garrido, 2003) con el fin de inducir la producción de bioplaguicidas.

Sin embrago, no todas las especies son susceptibles de crecer en estos sistemas artificiales.

azadiractina rotenona nicotina

20

naturales sin embargo el reto actual requiere un nuevo enfoque en su estudio que incluya el

desarrollo y la producción sostenible de los mismos (Cordell, 2000).

Actualmente hay un cierto número de insecticidas botánicos comercializados a escala mundial,

como el “neem” (Azadirachta indica), nicotina, rotenona, y ryania. Así mismo los plaguicidas

botánicos incluyen nematicidas (Chitwood, 2002), fungicidas y nuevos herbicidas (Macías et al.,

2000).

Los bioplaguicidas representan el 3,26% del mercado mundial de plaguicidas, siendo los

insecticidas el grupo más importante. Un informe del Mercado Europeo de Bioplaguicidas (Frost

and Sullivan, 2001) revela que la tasa de crecimiento anual es del 10,1%, con tendencia a

aumentar. Se estima que hasta ahora los semioquímicos han alcanzado sólo el 20% de su

penetración potencial en el mercado.

El mercado principal de los bioplaguicidas lo constituye la agricultura ecológica, cultivos bajo

plástico, parques y jardines. Con una media de crecimiento anual del 30%, la agricultura ecológica

en la UE constituye uno de los mercados más dinámicos del sector agrícola, apoyada por la

legislación comunitaria (Council Regulation No 2092/91/EEC del 24 de Junio 1991). La existencia

de este mercado en expansión justifica la necesidad de desarrollar nuevos productos mediante la

investigación sistemática de plantas, de hongos e incluso de residuos agrícolas. Los extractos

obtenidos deberán ser sometidos a ensayos de actividad para pasar posteriormente al aislamiento e

identificación de las moléculas activas. Se deberán optimizar métodos de cultivo eficaz de aquellas

plantas que presenten una actividad de interés. Y para obtener los productos finales será necesario

aplicar métodos de extracción ambientalmente seguros.

El desarrollo de metodologías de producción reproducibles y sostenibles son una clara

alternativa a la síntesis orgánica a gran escala y debe incluir métodos de cultivo en campo y

artificial para cubrir un amplio espectro de especies de interés. El aspecto productivo se puede

abordar mediante el cultivo de las especies seleccionadas aplicando las siguientes técnicas:

Cultivo aeropónico y cultivo “in vitro” de raíces transformadas en ambiente controlado con el fin

de poder producir de forma no destructiva tanto parte aérea como raíz en un sistema artificial libre

de interferencias ambientales, contribuyendo a la conservación de la especie y su ecosistema

(Martin-Laurent, 1999, 2000; Giacomelli, 2002). Estos sistemas permiten obtener metabolitos de

forma sostenible (sin destrucción de la planta) de las raíces y parte aérea producidas en esas

condiciones, así como modificar las condiciones de cultivo mediante la inclusión de elicitores

químicos (metil jasmonato) (Garrido, 2003) con el fin de inducir la producción de bioplaguicidas.

Sin embrago, no todas las especies son susceptibles de crecer en estos sistemas artificiales.

azadiractina rotenona nicotina


la contaminación del suelo y el agua y los efectos negativos para la salud pública. Además, la necesidad creciente de producir alimentos en ciertas zonas del planeta es un problema global añadido a los anteriores. El descubrimiento de productos naturales bioactivos proporciona un valor añadido a la biodiversidad y alternativas más productivas a la agricultura, que es la metodología más económica y sostenible de producción, generando usos alternativos del suelo y el desarrollo de actividades económicas sostenibles (Raskin et al., 2002). Los avances tecnológicos han dado un gran impulso a la química de los productos naturales sin embargo el reto actual requiere un nuevo enfoque en su estudio que incluya el desarrollo y la producción sostenible de los mismos (Cordell, 2000).

Actualmente hay un cierto número de insecticidas botánicos comercializados a escala mundial, como el “neem” (Azadirachta indica), nicotina, rotenona, y ryania. Así mismo los plaguicidas botánicos incluyen nematicidas (Chitwood, 2002), fungicidas y nuevos herbicidas (Macías et al., 2000).

Los bioplaguicidas representan el 3,26% del mercado mundial de plaguicidas, siendo los insecticidas el grupo más importante. Un informe del Mercado Europeo de Bioplaguicidas (Frost and Sullivan, 2001) revela que la tasa de crecimiento anual es del 10,1%, con tendencia a aumentar. Se estima que hasta ahora los semioquímicos han alcanzado sólo el 20% de su penetración potencial en el mercado.

El mercado principal de los bioplaguicidas lo constituye la agricultura ecológica, cultivos bajo plástico, parques y jardines. Con una media de crecimiento anual del 30%, la agricultura ecológica en la UE constituye uno de los mercados más dinámicos del sector agrícola, apoyada por la legislación comunitaria (Council Regulation No 2092/91/EEC del 24 de Junio 1991). La existencia de este mercado en expansión justifica la necesidad de desarrollar nuevos productos mediante la investigación sistemática de plantas, de hongos e incluso de residuos agrícolas. Los extractos obtenidos deberán ser sometidos a ensayos de actividad para pasar posteriormente al aislamiento e identificación de las moléculas activas. Se deberán optimizar métodos de cultivo eficaz de aquellas plantas que presenten una actividad de interés. Y para obtener los productos finales será necesario aplicar métodos de extracción ambientalmente seguros.

El desarrollo de metodologías de producción reproducibles y sostenibles son una clara alternativa a la síntesis orgánica a gran escala y debe incluir métodos de cultivo en campo y artificial para cubrir un amplio espectro de especies de interés. El aspecto productivo se puede abordar mediante el cultivo de las especies seleccionadas aplicando las siguientes técnicas:

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Además, el cultivo de especies no comestibles tiene un valor añadido potencialmente

mayor que el del cultivo de plantas transformadas para aumentar su rendimiento (Raskin et al.,

2002), por lo que también se debe utilizar el cultivo tradicional o cultivo con sustrato. El potencial

de algunos plaguicidas botánicos puede variar entre lotes de producción. La aplicación de una

metodología basada en buenas prácticas agrícolas (GAP) y el establecimiento de protocolos de

control de calidad del proceso pueden contribuir a resolver este problema. En este sentido es muy

importante partir de material seleccionado químicamente (quimiotipos) y valorado

agronómicamente (adaptación al cultivo, rendimiento, selección estabilidad del quimiotipo, etc).

Fermentación de microorganismos: Cuando se trata de bioplaguicidas de origen fúngico la

producción es más sencilla ya que los metabolitos de interés suelen estar en el medio de cultivo. A

Cultivo in vitro de raíces transformadas y plántulas, CSIC

Sistemas aeropónicos, CSIC

CIQA UAAAN

Cultivo aeropónico y cultivo “in vitro” de raíces transformadas en ambiente controlado con el fin de poder producir de forma no destructiva tanto parte aérea como raíz en un sistema artificial libre de interferencias ambientales, contribuyendo a la conservación de la especie y su ecosistema (Martin-Laurent, 1999, 2000; Giacomelli, 2002). Estos sistemas permiten obtener metabolitos de forma sostenible (sin destrucción de la planta) de las raíces y parte aérea producidas en esas condiciones, así como modificar las condiciones de cultivo mediante la inclusión de elicitores químicos (metil jasmonato) (Garrido, 2003) con el fin de inducir la producción de bioplaguicidas. Sin embrago, no todas las especies son susceptibles de crecer en estos sistemas artificiales.

Además, el cultivo de especies no comestibles tiene un valor añadido potencialmente mayor que el del cultivo de plantas transformadas para aumentar su rendimiento (Raskin et al., 2002), por lo que también se debe utilizar el cultivo tradicional o cultivo con sustrato. El potencial de algunos plaguicidas botánicos puede variar entre lotes de producción. La aplicación de una metodología basada en buenas prácticas agrícolas (GAP) y el establecimiento de protocolos de control de calidad del proceso pueden contribuir a resolver este problema. En este sentido es muy importante partir de material seleccionado químicamente (quimiotipos) y valorado agronómicamente (adaptación al cultivo, rendimiento, selección estabilidad del quimiotipo, etc).

Fermentación de microorganismos: Cuando se trata de bioplaguicidas de origen fúngico la producción es más sencilla ya que los metabolitos de interés suelen estar en el medio de cultivo. A nivel experimental se emplean los agitadores orbitales para llevar a cabo los estudios químicos de los extractos. A nivel industrial se procede a su escalamiento en biorreactor.

Impacto medioambiental: Así mismo para la extracción y producción de estos compuestos se pueden aplicar procesos de extracción supercrítica con dióxido de carbono, que constituyen una metodología medioambientalmente más limpia que el uso de disolventes orgánicos. Desde el arranque de la utilización industrial de los fluidos supercríticos en la década de los 70 del siglo pasado, las aplicaciones de dichos fluidos en diversos campos tanto de química básica como de tecnologías químicas no han hecho sino crecer a la par que el interés de los investigadores, interés que se basa en sus posibilidades todavía poco explotadas. Si bien se ha trabajando con diferentes sustancias en estado supercrítico cabe decir que

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CAPÍTULO 2

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el compuesto más utilizado con diferencia es el dióxido de carbono (CO2) debido a sus características favorables: es inerte, inocuo, barato y fácilmente reciclable. Aunque el carácter sostenible del CO2 es cuestionable cuando procede de fuentes naturales (recuperación de petróleo terciario), el CO2 cumple muchos de los requisitos para ser considerado un disolvente sostenible (≤verde≤) (A European Platform for Sustainable Chemistry, Cefic 2004) cuando es un subproducto de las plantas de amoniaco como ocurre con la mayor parte del CO2 utilizado hoy.

Una de las áreas más caracterizadas es la de la extracción con fluidos supercríticos (SFE) (McHugh y Kukronis, 1994; Taylor, 1996; Rosa y Meireles, 2005). Entre la gran variedad de sistemas a los que se ha aplicado la extracción con CO2 supercrítico ocupan un lugar destacado las plantas con el objeto de obtener los denominados aceites esenciales, que son de gran utilidad en industrias como la cosmética, de alimentación o farmacéutica. La extracción con CO2 supercrítico solo o con la adición de modificadores (que permiten arrastrar los componentes más polares) es una alternativa con futuro para la extracción de estos productos naturales (frente a la clásica hidrodestilación o el uso de disolventes orgánicos) debido a que permite trabajar a temperaturas no muy elevadas, siendo, por ello, menos agresiva con sustancias que suelen ser muy sensibles a esa variable.

Asimismo, la técnica permite modular con precisión la capacidad solvente del CO2 manipulando las condiciones de presión y temperatura con el fin de enriquecer el extracto en los componentes de interés. Una vez disuelto el soluto, basta una disminución de presión para separarlo del disolvente, que pasa al estado gaseoso y puede ser reciclado. Es posible realizar un fraccionamiento en diversos colectores de los productos extraídos mediante

la regulación de la presión y temperatura de cada uno. No quedan residuos en el sustrato, ni se producen residuos tóxicos de disolventes, tan dañinos para el medio ambiente.

Debe señalarse que una de las facetas que se aprovecha en las aplicaciones industriales de los aceites esenciales es las propiedades antimicrobianas y antiproliferativas que poseen y que ha sido investigada en algunos extractos obtenidos con CO2 supercrítico (p.e. en al año 2005: Vagi et al., Santoyo et al.; Medina et al., Ziémons et al. y Braga et al.). La extracción con CO2 supercrítico también se ha aplicado a matrices formadas por hongos microscópicos (Cygnarowicz-Provost et al 1995, Walker et al., 1999).

Resultados

En el contexto de este problema, nuestros proyectos de investigación se encuadran en el estudio del potencial fitoquímico que representa la biodiversidad botánica del Archipiélago Canario y la Península Ibérica. Como resultado de estos trabajos se han aislado y determinado diversas sustancias naturales activas como diterpenos, sesquiterpenos y alcaloides, los cuales pueden ser de utilidad en el sector agroquímico y en el ámbito de la agricultura ecológica (insecticidas, repelentes y fungicidas). Estos compuestos se han obtenido en el estudio de especies de las familias Lauraceae, Boraginaceae, Asteraceae y Lamiaceae. Así mismo, estamos valorando la diversidad química y genética de hongos endófitos asociados a especies de la laurisilva, así como su potencial agroquímico y perfiles metabolómicos.

Los resultados obtenidos han puesto de manifiesto el valor añadido de la biodiversidad botánica de las islas

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23

Resultados

En el contexto de este problema, nuestros proyectos de investigación se encuadran en el

estudio del potencial fitoquímico que representa la biodiversidad botánica del Archipiélago

Canario y la Península Ibérica. Como resultado de estos trabajos se han aislado y determinado

diversas sustancias naturales activas como diterpenos, sesquiterpenos y alcaloides, los cuales

pueden ser de utilidad en el sector agroquímico y en el ámbito de la agricultura ecológica

(insecticidas, repelentes y fungicidas). Estos compuestos se han obtenido en el estudio de especies

de las familias Lauraceae, Boraginaceae, Asteraceae y Lamiaceae. Así mismo, estamos valorando

la diversidad química y genética de hongos endófitos asociados a especies de la laurisilva, así

como su potencial agroquímico y perfiles metabolómicos.

Los resultados obtenidos han puesto de manifiesto el valor añadido de la biodiversidad

botánica de las islas dado el amplio abanico de aplicaciones potenciales de sus recursos botánicos

(Fraga et al., 2001; 2005; Giménez et al., 2007; González-Coloma et al., 2002a; González-Coloma

et al., 1999; 2002b; 2004a; 2004b; 2006; Reina y González-Coloma, 2007; Reina et al 2001; 2002;

2006; Rodilla et al, en prensa). Entre las especies que nosotros estamos estudiando cabe destacar la

Persea indica (Lauraceae) y Canariothamnus palmensis (ex Senecio, Asteraceae) por ser dos

especies prometedoras en el desarrollo de bioplaguicidas.

•Persea indica (Lauraceae): Es un paleoendemismo de la laurisilva canaria del que conocemos el

perfil fitoquímico de la parte aérea y tallos.

Esta especie se caracteriza por su contenido en diterpenos de esqueleto ryanodano e

isoryanodano únicos en la naturaleza con una potente actividad insecticida de mecanismo de acción

novedoso (receptor de ryanodina) y baja toxicidad en mamíferos (Fraga et al., 1997; 2001;

González-Coloma et al., 1999; 2002). La ryanodina actúa sobre los receptores de Ca2+

del retículo

sarcoplásmico de mamíferos, mientras que los ryanodanos que hemos aislado de P. indica tienen

una menor toxicidad en mamíferos y mayor especificidad por insectos, lo que hace de estos

compuestos candidatos excepcionales para el desarrollo de bioplaguicidas.

Persea indica

24

Figura. 1. Compuestos aislados de P. indica

Cuadro 1. Efectos antilaimentarios e inhibidores del crecimiento de extractos etanólicos de P. indica

sobre varias especies de insectos (González-Coloma et al., 2002a).

Familia de

Insectos

Especies de

Insectos

FI/SI1

(100µg/cm2

) Inhibición del

Crecimiento2

(%)

Lepidoptera S. litura 100 26

S. littoralis 100 83

M. fortunata - 25

H. armigera - 43

Coleoptera L. decemlineata 93 -

Homoptera M. persicae 47 -

1

%FI/%SI= [1-(T/C)]x100, T= consumo/asentamiento de discos tratados y C=consumo/asentamiento de

discos control. 2

Inhibición del crecimiento larvario en ensayos de incorporación en dieta (n=20, 0.1%w/wt).

2 R = Ac

1 R = H

16

A

1520

19

18

17

14

13

12

1110

9

8

7 6

54 3

2

1

O

OH

OH

HO

RO

OH

HO OH O

OH

OH

HO

HOOH

R

3 R = ��OH, H

5 R = ��H, H

4 R = ��OAc, H

6 R = O

16

20 15

2

3

HO

R

OH

HO

O

OH

HO

1711

7

19

18

14

12

10

9

8

6

5

4

1

9

OH

O

HO

H

H

HO

8 R = OH

7 R = H

16

1520

19

18

1

1

13

12

111

9

8

7 6

54 3

2

1

O

OH

OH

HO

RO

OH

HO OH

10

NC

OH

R=


CIQA UAAAN

dado el amplio abanico de aplicaciones potenciales de sus recursos botánicos (Fraga et al., 2001; 2005; Giménez et al., 2007; González-Coloma et al., 2002a; González-Coloma et al., 1999; 2002b; 2004a; 2004b; 2006; Reina y González-Coloma, 2007; Reina et al 2001; 2002; 2006; Rodilla et al, en prensa). Entre las especies que nosotros estamos estudiando cabe destacar la Persea indica (Lauraceae) y Canariothamnus palmensis (ex Senecio, Asteraceae) por ser dos especies prometedoras en el desarrollo de bioplaguicidas.

• Persea indica (Lauraceae): Es un paleoendemismo de la laurisilva canaria del que conocemos el perfil fitoquímico de la parte aérea y tallos.

Persea indica

Esta especie se caracteriza por su contenido en diterpenos de esqueleto ryanodano e isoryanodano únicos en la naturaleza con una potente actividad insecticida de mecanismo de acción novedoso (receptor de ryanodina) y baja toxicidad en mamíferos (Fraga et al., 1997; 2001; González-Coloma et al., 1999; 2002). La ryanodina actúa sobre los receptores de Ca2+ del retículo sarcoplásmico de

mamíferos, mientras que los ryanodanos que hemos aislado de P. indica tienen una menor toxicidad en mamíferos y mayor especificidad por insectos, lo que hace de estos compuestos candidatos excepcionales para el desarrollo de bioplaguicidas.

34

CAPÍTULO 2

CAP1-4.indd 22 10/8/07 4:09:53 PM

24


Cuadro 1. Efectos antilaimentarios e inhibidores del crecimiento de extractos etanólicos de P. indica

sobre varias especies de insectos (González-Coloma et al., 2002a).

Familia de

Insectos

Especies de

Insectos

FI/SI1

(100µg/cm2

) Inhibición del

Crecimiento2

(%)

Lepidoptera S. litura 100 26

S. littoralis 100 83

M. fortunata - 25

H. armigera - 43

Coleoptera L. decemlineata 93 -

Homoptera M. persicae 47 -

1

%FI/%SI= [1-(T/C)]x100, T= consumo/asentamiento de discos tratados y C=consumo/asentamiento de

discos control. 2

Inhibición del crecimiento larvario en ensayos de incorporación en dieta (n=20, 0.1%w/wt).

2 R = Ac

1 R = H

16

A

1520

19

18

17

14

13

12

1110

9

8

7 6

54 3

2

1

O

OH

OH

HO

RO

OH

HO OH O

OH

OH

HO

HOOH

R

3 R = ��OH, H

5 R = ��H, H

4 R = ��OAc, H

6 R = O

16

20 15

2

3

HO

R

OH

HO

O

OH

HO

1711

7

19

18

14

12

10

9

8

6

5

4

1

9

OH

O

HO

H

H

HO

8 R = OH

7 R = H

16

1520

19

18

1

1

13

12

111

9

8

7 6

54 3

2

1

O

OH

OH

HO

RO

OH

HO OH

10

NC

OH

R=

25

Cuadro 2. Inhibición de la alimentación, (%FI) + error estándar, y dosis efectivas (EC50

) de los

compuestos frente a larvas L6 de S. littoralis y adultos de L. decemlineata en ensayos de

elección (González-Coloma et al., 1999).

S. littoralis L. decemlineata

Compuesto FR(%)1

(10 µg/cm2

)

EC50

(95% CL)2

(nmol/cm2

)

FR(%)1

(10 µg/cm2

)

EC50

(95% CL)2

(nmol/cm2

)

1 87.54+10.81 0.52 (0.25,1.07) 37.08+13.57 -

2 90.84+10.81 0.63 (0.09,4.41) 78.20+18.08 0.57 (0.03,9.77)

3 96.93+10.81 3.17 (0.78,13.02) 61.27+11.05 -

4 100.00+10.81 0.01 (3.0x10-3

,7.0x10-3

) 42.244

+13.98 -

5 85.94+10.81 5.9x10-3

(5.7x10-4

,0.13) 70.49+14.05 1.87 (0.82,26.30)

6 89.11+10.81 1.46 (0.21,10.21) 80.16+13.31 0.22 (0.01,2.88)

7 72.87+10.81 3.75 (0.35,38.37) 55.59+13.57 n.a.

8 89.03+10.81 0.44 (0.18,1.12) 74.46+13.03 0.63 (0.12,3.31)

9 85.54+10.81 8.48 (2.38,30.44) 29.83+13.57 -

10 84.89+10.81 0.93 (0.42,1.96) 54.82+9.42 0.77 (0.25,3.71)

1

%FI como en Cuadro 1. 2

Dosis efectiva (EC50

, sosis necesaria para producir un 50% de inhibición de la

alimentación) y límites de confianza del 95% (inferior, superior).

Esta especie se ha adaptado al cultivo aeropónico produciendo parte aérea rica en

ryanodanos insecticidas y raíz (en estudio) de forma sostenible e independiente de las condiciones

Actividad antialimentaria frente

a Spodoptera littoralis (extracto

de P. indica). CSIC

Cuadro 1. Efectos antilaimentarios e inhibidores del crecimiento de extractos etanólicos de P. indica sobre varias especies de insectos (González-Coloma et al., 2002a).

1%FI/%SI= [1-(T/C)]x100, T= consumo/asentamiento de discos tratados y C=consumo/asentamiento de discos control. 2 Inhibición del crecimiento larvario en ensayos de incorporación en dieta (n=20, 0.1%w/wt).

Cuadro 2. Inhibición de la alimentación, (%FI) ± error estándar, y dosis efectivas (EC50) de los compuestos frente a larvas L6 de S. littoralis y adultos de L. decemlineata en ensayos de elección (González-Coloma et al., 1999).

1%FI como en Cuadro 1. 2 Dosis efectiva (EC50, sosis necesaria para producir un 50% de inhibición de la alimentación) y límites de confianza del 95% (inferior, superior).


35


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25

Cuadro 2. Inhibición de la alimentación, (%FI) + error estándar, y dosis efectivas (EC50

) de los

compuestos frente a larvas L6 de S. littoralis y adultos de L. decemlineata en ensayos de

elección (González-Coloma et al., 1999).

S. littoralis L. decemlineata

Compuesto FR(%)1

(10 µg/cm2

)

EC50

(95% CL)2

(nmol/cm2

)

FR(%)1

(10 µg/cm2

)

EC50

(95% CL)2

(nmol/cm2

)

1 87.54+10.81 0.52 (0.25,1.07) 37.08+13.57 -

2 90.84+10.81 0.63 (0.09,4.41) 78.20+18.08 0.57 (0.03,9.77)

3 96.93+10.81 3.17 (0.78,13.02) 61.27+11.05 -

4 100.00+10.81 0.01 (3.0x10-3

,7.0x10-3

) 42.244

+13.98 -

5 85.94+10.81 5.9x10-3

(5.7x10-4

,0.13) 70.49+14.05 1.87 (0.82,26.30)

6 89.11+10.81 1.46 (0.21,10.21) 80.16+13.31 0.22 (0.01,2.88)

7 72.87+10.81 3.75 (0.35,38.37) 55.59+13.57 n.a.

8 89.03+10.81 0.44 (0.18,1.12) 74.46+13.03 0.63 (0.12,3.31)

9 85.54+10.81 8.48 (2.38,30.44) 29.83+13.57 -

10 84.89+10.81 0.93 (0.42,1.96) 54.82+9.42 0.77 (0.25,3.71)

1

%FI como en Cuadro 1. 2

Dosis efectiva (EC50

, sosis necesaria para producir un 50% de inhibición de la

alimentación) y límites de confianza del 95% (inferior, superior).

Esta especie se ha adaptado al cultivo aeropónico produciendo parte aérea rica en

ryanodanos insecticidas y raíz (en estudio) de forma sostenible e independiente de las condiciones

Actividad antialimentaria frente

a Spodoptera littoralis (extracto

de P. indica). CSIC

26

ambientales. Su cultivo “in vitro” no es viable. Dados sus requerimientos ambientales no se

recomienda su cultivo en campo. Esta especie es candidata a la producción de extractos

estandarizados de parte aérea y raíz para pruebas en condiciones semicomerciales y tiene interés

como productora de ryanodanos para biotransformación-optimización futura.

• Senecio palmensis (Asteraceae). Especie endémica canaria distribuida en las islas de Tenerife y

La Palma, creciendo preferentemente en zonas de barrancos con una amplia distribución

latitudinal. Esta planta es productora de sesquiterpenos tricíclicos mayoritarios de esqueleto

silfineno (González-Coloma et al., 2002b; Reina et al., 2002) de gran interés como insecticidas-

antialimentarios por su acción antialimentaria excelente frente a Leptinotarsa decemlineata y

pulgones y su efecto sobre receptores GABA (Bloomquist et al., en prensa).

Los compuestos aislados se agrupan en dos series, sustituidos en C-5 y C-11 y sustituidos

en C-5. La diversidad de estructuras ensayadas y su especificidad de acción sobre L. decemlineata

nos ha permitido establecer sus relaciones estructura-actividad (Cuadro 4).

P. indica aeropónica, parte aérea P. indica aeropónica, raíz

Bioensayos de elección con L .decemlineata (los puntos señalan los tratamientos).

26
















26
















CIQA UAAAN

productora de sesquiterpenos tricíclicos mayoritarios de esqueleto silfineno (González-Coloma et al., 2002b; Reina et al., 2002) de gran interés como insecticidas-antialimentarios por su acción antialimentaria excelente frente a Leptinotarsa decemlineata y pulgones y su efecto sobre receptores GABA (Bloomquist et al., en prensa).

Los compuestos aislados se agrupan en dos series, sustituidos en C-5 y C-11 y sustituidos en C-5. La diversidad de estructuras ensayadas y su especificidad de acción sobre L. decemlineata nos ha permitido establecer sus relaciones estructura-actividad (Cuadro 4).

Esta especie se ha adaptado al cultivo aeropónico produciendo parte aérea rica en ryanodanos insecticidas y raíz (en estudio) de forma sostenible e independiente de las condiciones ambientales. Su cultivo “in vitro” no es viable. Dados sus requerimientos ambientales no se recomienda su cultivo en campo. Esta especie es candidata a la producción de extractos estandarizados de parte aérea y raíz para pruebas en condiciones semicomerciales y tiene interés como productora de ryanodanos para biotransformación-optimización futura.

• Senecio palmensis (Asteraceae). Especie endémica canaria distribuida en las islas de Tenerife y La Palma, creciendo preferentemente en zonas de barrancos con una amplia distribución latitudinal. Esta planta es

36

CAPÍTULO 2

CAP1-4.indd 24 10/8/07 4:10:01 PM

27

Cuadro 4. Relaciones estructura-actividad antialimentaria de silfinenos (Reina et al., 2002).

Los inhibidores GABA presentan un abanico muy amplio de aplicaciones potenciales en

el campo la agroquímica y de la medicina ya que el complejo GABA/ionoforo de Cl-

media la

inhibición de la neurotransmisión en cerebro de mamífero y en músculo de vertebrados e

invertebrados y es la diana de los insecticidas convulsionantes (p.e. dieldrin y lindano).

Sin embrago, nunca se han aplicado como antialimentarios. Por tanto esta especie

representa una fuente de bioplaguicidas de interés con el inconveniente de estar protegida por ser

un endemismo insular lo que hace imprescindible su producción sostenible. Esta especie se ha

adaptado al cultivo aeropónico (parte aérea y raíz) y al cultivo in vitro de raíces transformadas.

Conclusiones

Los Bioplaguicidas de origen botánico y fúngico representan una alternativa de control de

plagas de bajo impacto ambiental y alta seguridad alimentaria. Sin embargo, su desarrollo aún se

puede considerar limitado debido al coste de producción. No obstante, la demanda de estos

productos es creciente. Las plantas y los hongos endófitos son una fuente potencial de

bioplaguicidas ya que han evolucionado su arsenal químico para defenderse de los herbívoros y/o

hongos patógenos y por tanto su estudio químico biodirigido y la aplicación de técnicas de cultivo

para la obtención de los metabolitos de interés representan un paso adelante en el desarrollo de este

tipo de productos.

Compuesto Substituents Ec50

(nmol/cm2

)

C-3 C-5 C-11 L. decemlineata D. noxia

4 =O �-ang H >150 >150

8 �-OH �-ang H 22 >150

11�-Acetoxy-5�-

angeloyloxysilphinen-3

onea

=O �-ang �-Ac 0.8 31

7 =O �-tig H 44 30

11�-Acetoxy-5�-

tigloyloxysilphinen-3-

onea

=O �-tig �-Ac 0.17 >120

6 =O �-Ac H 2.8 57

12 =O �-Ac H 2.4 65

11�,5�-

Diacetoxysilphinen-3-

onea

=O �-Ac �-Ac 1.0 �100

13 =O �-isobut H 3.4 36

11�-Acetoxy-5�-

sobutyryloxysilphinen-

onea

=O �-isobut �-Ac 0.08 8.0

9 =O =O H 4.8 25

Silphinen-3,5,11-trione =O =O =O >100 >200

10 =O �-OH H 6 26

11 =O �-OH H 18 32

11�,5�-

Dihydroxysilphinen-3

onea

=O �-OH �-OH 4.8 >200

Cuadro 4. Relaciones estructura-actividad antialimentaria de silfinenos (Reina et al., 2002).


Los inhibidores GABA presentan un abanico muy amplio de aplicaciones potenciales en el campo la agroquímica y de la medicina ya que el complejo GABA/ionoforo de Cl- media la inhibición de la neurotransmisión en cerebro de mamífero y en músculo de vertebrados e invertebrados y es la diana de los insecticidas convulsionantes (p.e. dieldrin y lindano).

Sin embrago, nunca se han aplicado como antialimentarios. Por tanto esta especie representa una fuente de bioplaguicidas de interés con el inconveniente de estar protegida por ser un endemismo insular lo que hace imprescindible su producción sostenible. Esta especie se ha adaptado al cultivo aeropónico (parte aérea y raíz) y al cultivo in vitro de raíces transformadas.

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28

Agradecimientos. Se agradece las subvenciones PI 042005/011 y CTQ2006-15597-C02-01/PPQ.

Literatura Citada

Bloomquist J.R., Boina D.R., Chow E., Carlier P.R., Gonzalez-Coloma A. Mode of action of the

plant-derived silphinenes on insect and mammalian GABAA receptor/chloride channel

complex. Pestic. Biochem. Physiol. (en prensa).

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Chitwood, D.J. 2002. Phytochemical based strategies for nematode control. Annu. Rev. Phytopathol.

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Cordell, G.A. 2000. Biodiversity and drug discovery - a symbiotic relationship. Phytochemistry 55,

463-480.

Cygnarowicz-Provost, M.; O’Brien, D.J.; Boswell, R.T.; Kurantz, M.J. 1995. Supercritical-fluid

extraction of fungal lipids: Effect of cosolvent on mass-transfer rates and process design and

economics. J. Supercrit. Fluids, 8, 51-59.

Fraga, B.M., González-Coloma, A., Gutiérrez, C. and Terrero, D. 1997. Iso-ryanodane diterpenes

from Persea Indica. J. Nat. Prod. 60, 880-883.

S. palmensis en cultivo aeropónico. CSIC

S. palmensis en cultivo “in vitro”. CSIC

28


Literatura Citada






221-249.


463-480.








28


Literatura Citada






221-249.


463-480.








CIQA UAAAN

Conclusiones

Los Bioplaguicidas de origen botánico y fúngico representan una alternativa de control de plagas de bajo impacto ambiental y alta seguridad alimentaria. Sin embargo, su desarrollo aún se puede considerar limitado debido al coste de producción. No obstante, la demanda de estos productos es creciente. Las plantas y los hongos endófitos son una fuente potencial de bioplaguicidas ya que han evolucionado su arsenal químico para defenderse de los herbívoros y/o hongos patógenos y por tanto su estudio químico biodirigido y la aplicación de técnicas de cultivo para la obtención de los metabolitos de interés representan un paso adelante en el desarrollo de este tipo de productos.




Literatura Citada

Bloomquist J.R., Boina D.R., Chow E., Carlier P.R., Gonzalez-Coloma A. Mode of action of the plant-derived silphinenes on insect and mammalian GABAA receptor/chloride channel complex. Pestic. Biochem. Physiol. (en prensa).


Chitwood, D.J. 2002. Phytochemical based strategies for nematode control. Annu. Rev. Phytopathol. 221-249.

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Fraga, B. M., Díazm C. E., Guadaño, A., González-

38

CAPÍTULO 2

CAP1-4.indd 26 10/8/07 4:10:07 PM


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39


CAP1-4.indd 27 10/8/07 4:10:08 PM

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CAPÍTULO 2

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Ziémons, E.; Goffin, E.; Lejeune, R.; Proença da Cunha, A.; Angenot, L.; Thunus, L. J. 2005. Supercritical carbon dioxide extraction of tagitinin C from Tithonia diversifolia. Supercrit. Fluids, 33, 53-59.

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SECCIÓN I


Capítulo 3

E. Shaaya and M. Kostyukovsky. ARO. The Volcani Center, Bet Dagan, Israel.

Resumen

Actualmente, las medidas para controlar la infestación de las plagas en alimentos secos almacenado y flores de corte, depende fuertemente de fumigantes tóxicos e insecticidas del contacto. Recientemente, el número de pesticidas ha declinado como seguridad de salud y las preocupaciones medioambientales ha incitado a las autoridades para considerar la restricción del uso de químicos tóxicos en alimentos y otros productos agrícolas. Durante siglos, la agricultura tradicional en países en vías de desarrollo ha desplegado medios eficaces para el control de plagas insecto mediante productos botánicos. Su eficacia y el uso óptimo todavía necesitan ser evaluados

Potential of Phytochemicals as Safe Alternatives for the Control of Stored-Product and Cut Flowers Insects

Potencial de los Fitoquímicos Como una Alternativa Segura Para el Control de Insectos de Productos Almacenados y Flores de Corte

para hacer que estos medios de control de insectos sean baratos y disponibles para los usuarios. En el reino vegetal las plantas aromáticas contienen compuestos volátiles como los aceites esenciales que se conocen por poseer actividad insecticida y exhiben una baja toxicidad para los mamíferos. Últimamente, un nuevo campo está siendo desarrollando en el uso de estos fitoquímicos orientados para el manejo de insectos plaga. En nuestro laboratorio, nosotros hemos tenido éxito aislando dos aceites esenciales muy activos como fumigantes para el control de insectos de productos almacenados; esto se realizó analizando un gran número de aceites esenciales aislados de plantas aromáticas. Estos aceites han demostrado tener un potencial similar al bromuro del metilo, en fumigación dentro de almacenes y en pruebas piloto. También se encontraron varios aceites esenciales tóxicos contra insectos de flor de corte. La fitotoxicidad de estos aceites depende de: 1. Las especies y la variedad de las flores; 2. La temperatura: Enfriando a 5°C después del tratamiento reduce la fitotoxicidad. De nuestros estudios para elucidar el modo de acción de aceites esenciales, nosotros podemos postular que estos aceites pueden afectar los sitios objetivo octopaminergicos. La búsqueda de fitoquímicos con baja toxicidad que sean seguros para la salud y las normas medioambientales, les da a esos químicos bioactivos el potencial para ser usados como un método complementario o alternativo para la protección de cultivos y para el manejo integrado de plagas.

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Fitoquímicos para Control de Insectos

Abstract

Currently, the measures to control pest infestation in grain, dry stored food and cut flowers rely heavily on toxic fumigants and contact insecticides. In recent years, the number of pesticides has declined as health safety and environmental concerns have prompted authorities to consider restricting the use of toxic chemicals in food and other agricultural products. During centuries, traditional agriculture in developing countries has developed effective means for insect pest control using botanicals. Their efficacy and optimal use still need to be assessed in order to make these cheap and simple means of insect control available to users. In the plant kingdom aromatic plants contain volatile compounds named essential oils which are known to possess insecticidal activity and exhibit low toxicity to mammals. Lately, a new field is developing on the use of these phytochemicals in insect pest management. In our laboratory, we have succeeded in isolating two essential oils that are very active as fumigants for the control of stored product insects, by screening a large number of essential oils isolated from aromatic plants. These oils have proved to have similar potency as methyl bromide, in space fumigation and in pilot tests. A number of essential oils were also found toxic against cut flower insects. The phytotoxicity of these oils depends on: 1. The species and the variety of the flowers; 2. Temperature: cooling at 5°C after treatment reduces the phytotoxicity. From our studies, in order to elucidate the mode of action of essential oils, we can postulate that these oils may affect octopaminergic target sites. The search for phytochemicals with low toxicity which comply with health and environmental standards, gives these bioactive chemicals the potential to be used as a complementary or alternative method in crop protection and integrated pest management.

Introduction

Insect control has an impact from both the agricultural and public health perspectives. The use of synthetic toxic insecticides has posed several problems to human health and the environment, due to their persistence and negative effects to non target organisms. During centuries, traditional agriculture in developing countries has developed effective means for insect pest control using botanicals. Their efficacy and optimal use still needs to be assessed in order to make these cheap and simple means of insect control available to users. In the plant kingdom aromatic plants contain volatile compounds which confer an odor and a characteristic flavor to them. Lately, a new field is developing on the use of this phytochemicals in insect pest management. In fact, the essential oils, major volatiles in aromatic plants, are known to possess insecticidal activity and exhibit low toxicity to mammals. Therefore, they have a promising development in the pest management field. It should be mentioned however, that today, essential oils have been approved as a flavoring agents in food and beverages, and also for industrial applications, particularly in perfumery, cosmetics and detergents.

Essential oils are volatiles, and can be easily extracted by water vapour. They are abundant in a number of aromatic plant families, like Rutaceae, Myrtaceae, Umbelliferae and Conifers. Dependent on the plant species the oil may be localized in different parts of the plant. Main components of the essential oil are monoterpenes, and to a lesser extent, sesquiterpenes which contain ten or fifteen carbon atoms, respectively. The physiological development of the plant and its degree of maturity, soil conditions, climate, etc., play an important role in the composition of the essential oil in the same plant species.

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CAPÍTULO 3

The majority of essential oils contain a limited number of main constituents, though also minor compounds in the oil can play an important role in the fragrance and biological activity. Essential oils are secondary metabolites, which were first considered as phyto-metabolic waste products. Today, we know that they have a number of important functions. They are donors of hydrogen in oxidation - reduction reactions; play a role at preventing excessive evaporation. They also take part in the defense of the plant against insect and microorganism attacks.

Toxicity of essential oils against insect pests. For centuries plant material was used world wide for crop protection, due to limited access to synthetic chemicals. The most efficient plants belong to aromatic plants, which contain essential oils (EOs), the active component. The toxic effect of EOs and their constituents has been well documented against a large number of insect pests. An example, is the essential oil obtained from the leaves of Thugopsis dalabrata hondai which was found to have high toxicity against the cockroach (Periplaneta fuliginosa), the mite (Dermatophagoids farinae) and the termite (Coptotermes farmosanus) (Asada et al., 1989). These oils were also found to be effective as nematicidal (Oka et al., 2000), anti-bacterial (Matasyoh et al., 2007), virucidal (Schuhmacher et al., 2003) and repellent against ectoparasites (Mamcouglu et al., 1996). Some EOs were found to exhibit repellent activity against various insects. Limonene, thymol, myrcene, camphor, cineole, methyl eugenol and the essential oil from the berries of Juniperus communis, were all found to repel mosquitoes (Kalemba et.al., 1991; Chokechaijaroenporn et al., 1994). Ocimum sauve oil which is indigenous to Kenya, repel Sitophilus zeamais (Hassalani and Lwande, 1989; Mwangi et al., 1992).

The EOs of Artemisia tridentate and Chrysothamnus nauseosus were found to exert antifeeding effects against the Colorado beetle (Jermy et al., 1981). Acarus calamus oil was found to be a potent growth inhibitor and an antifeedant against the cutworm Peridroma saucia (Koul et al., 1990). Some EOs can act in different ways: Tansy oil, Tanacetum vulgare, is toxic to Sitophilus granarium, attractive and paralyzing to Rhyzopertha dominica and repellent to Tribolium confusum (Kurowska et al., 1993). Essential oils also provide resistance to plants, against phytophagous insect pests. In fact, the first observation on the biological activity of essential oils was the resistance of the Scotch pine to the flat bugs which was related to the high content of essential oil in the barks (Smelyanets and Kuznetsov, 1968). Another example, the sesquiterpene in the wild tomato (Lycopersicon hirsutum hirsutum) is associated with the resistance of the plant to insects (Gianfagna et al., 1992).

It is important to note that beside the composition of the EOs other factors define the toxicity of the oil: one, the degree of oil absorption in the treated commodity, the higher the absorption the lower the concentration of the oil in the inter-granular air which makes the oil less effective; two, the route of entry of the oil either by skin absorption, ingestion or inhalation.

Efficacy of essential oils as fumigants for the control of pest infestation in grain and dry food products. Currently, the control of stored product insects relies heavily on toxic fumigants and contact insecticides. In recent years, the number of pesticides has declined as health safety and environmental concerns have prompted authorities to consider restricting the use of toxic chemicals in food and other agricultural products. Fumigation is still one of the most effective methods for the protection of

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stored grain, dry commodities and cut flowers from insect infestation.

At present only two fumigants are still in use: methyl bromide and phosphine. The first has been identified as a contributor to ozone depletion by the United Nations World Meteorological Organization in 1995 and was phased out in most developed countries. As for phosphine, which is widely used today, there are repeated reports, that a number of storage pests have developed resistance to this fumigant (Nakakita and Winks, 1981; Mills, 1983; Tyler et al., 1983; Rajendran and Karanth, 2000). Another compound 2-2 dichlorovinyl dimethyl phosphate which is widely used as a fog fumigant for insect control in empty structures is classified by the United States Environmental Agency as a possible human carcinogen (Mueller, 1998). Thus, there is an urgent need to develop alternatives with the potential to replace the toxic fumigants.

EOs and their constituents are known to possess insecticidal (Wilson and Shaaya, 1998; Shaaya et al., 1997) and insect repellent activity (Jilani et al., 1988); and cause reduction in progeny (Regnault-Roger and Hamraoui, 1995). For example, the fumigant toxic activity, antifeedant and reproduction inhibition induced by a number of EOs and their monoterpenoids were evaluated against the been weevil Acanthoscelides obtectus (Say) and Callosobruchus maculatus (F.) (Klingauf et al., 1983; Regnault-Roger and Hamraoui, 1995; Raja et al., 2001). EOs extracted from Pogostemon heyneanus, Ocimum basilicum and Eucalyptus, showed insecticidal activity against Sitophilus oryzae, Stegobium paniceum, Tribolium castaneum and Callosobruchus chinensis (Desphande et al., 1974; Desphande and Tipnis, 1977). The toxic effects of the terpenoids linalool, d-limonene and terpineol were also evaluated on several Coleopteran insects attacking post

harvest products (Karr and Coats, 1988; Coats et al., 1991; Weaver et al., 1991). A number of essential oils extracted from various aromatic plants and their constituents were also found to be active against a number of major stored-product insects (Shaaya et al., 1991; Shaaya and Kostyukovsky, 2006). In our laboratory, in order to isolate active EOs, we screened a large number of EOs extracted from aromatic plants and isolated their main constituents. We have isolated many such compounds from the EOs of a large number of aromatic plants (Shaaya et al., 1991, 1994, 1997). Using space fumigation (see Shaaya et al., 1997), two EOs obtained from Labiatae plants, were found as the most potent fumigants from all oils tested. The main component of one of the oils was pulegone. The other is not yet identified and it is called SEM 76. Pulegone and SEM 76 were also found most potent fumigants compared with all monoterpenes tested. Moreover, they had a high activity against Tribolium castaneum and Sitophilus oryzae which were found the most tolerant of all insects tested (Table 1).

Comparison study between the activity of pulegone and SEM 76 showed that in space fumigation these volatiles caused total mortality at a very low concentration of 0.5-1.5 µl/l air and exposure time of 24 hrs. A little higher concentration of 2-4 µl/l air was needed to kill larvae of Tribolium castaneum, Plodia interpunctella and Trogoderma granarium (Table 2).

Supplementation of 15% CO2 increased the activity of the volatiles against all adult and larvae tested (Table 3). In high bins, 15-20% CO2 is added together with the fumigants methyl bromide or phosphine as a carrier, in order to facilate the penetration of the fumigants to the bottom of the bin.

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34

carcinogen (Mueller, 1998). Thus, there is an urgent need to develop alternatives with the

potential to replace the toxic fumigants.

EOs and their constituents are known to possess insecticidal (Wilson and Shaaya,

1998; Shaaya et al., 1997) and insect repellent activity (Jilani et al., 1988); and cause

reduction in progeny (Regnault-Roger and Hamraoui, 1995). For example, the fumigant toxic

activity, antifeedant and reproduction inhibition induced by a number of EOs and their

monoterpenoids were evaluated against the been weevil Acanthoscelides obtectus (Say) and

Callosobruchus maculatus (F.) (Klingauf et al., 1983; Regnault-Roger and Hamraoui, 1995;

Raja et al., 2001). EOs extracted from Pogostemon heyneanus, Ocimum basilicum and

Eucalyptus, showed insecticidal activity against Sitophilus oryzae, Stegobium paniceum,

Tribolium castaneum and Callosobruchus chinensis (Desphande et al., 1974; Desphande and

Tipnis, 1977). The toxic effects of the terpenoids linalool, d-limonene and terpineol were also

evaluated on several Coleopteran insects attacking post harvest products (Karr and Coats,

1988; Coats et al., 1991; Weaver et al., 1991). A number of essential oils extracted from

various aromatic plants and their constituents were also found to be active against a number

of major stored-product insects (Shaaya et al., 1991; Shaaya and Kostyukovsky, 2006). In our

laboratory, in order to isolate active EOs, we screened a large number of EOs extracted from

aromatic plants and isolated their main constituents. We have isolated many such compounds

from the EOs of a large number of aromatic plants (Shaaya et al., 1991, 1994, 1997). Using

space fumigation (see Shaaya et al., 1997), two EOs obtained from Labiatae plants, were

found as the most potent fumigants from all oils tested. The main component of one of the

oils was pulegone. The other is not yet identified and it is called SEM 76. Pulegone and SEM

76 were also found most potent fumigants compared with all monoterpenes tested. Moreover,

they had a high activity against Tribolium castaneum and Sitophilus oryzae which were found

the most tolerant of all insects tested (Table 1).

Table 1. Fumigant toxicity of essential oils against four major stored product insects

O. surinamensis R. dominica S. oryzae T. castaneum

Essential oils

LC50

LC90

LC50

LC90

LC50

LC90

LC50

LC90

Anise >15 - 8.8 21.3 >15 - >15 -

Basil 6.7 11.7 10.0 16.7 >15 - >15 -

Bay laurel 13.4 32.0 7.0 10.5 >15 - >15 -

Lavender 11.3 12.8 11.4 13.8 >15 - >15 -

Oregano 4.3 8.1 8.4 >15 15.4 30.4 >15 -

Peppermint 8.2 19.4 9.6 16.0 7.5 14.9 11.1 15.0

Rosemary 8.3 13.4 9.2 11.6 >15 - >15 -

Sage 7.6 12.7 6.7 10.8 11.7 23.1 >15 -

Three-lobed

sage

8.7 12.9 6.8 10.8 >15 - >15 -

SEM-76 - 1.0 0.5 0.8 - 1.0 0.9 1.4

Pulegone 1.7 2.8 2.8 4.5 0.7 1.4 2.5 3.2

Sixty adults in three replicates were used for each experiment. The data are the average of 5-8 experiments.

Exposure time 24 h. The numbers are µl/l air.

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Pilot tests in simulation glass columns filled to 70% volume with wheat, under conditions similar to those present in large grain bulks, showed that pulegone at a concentration of 50 µl/l air, equivalent to 50 g/t wheat and a 7- days exposure time was enough to obtain 94-100% mortality of all adult insects tested (Table 4). In addition, supplementation of 15% CO2= (200g/t (wheat) caused a reduction in the volatile concentration and shortened the exposure time (Table 4). Larvae of Tribolium castaneum were found to be most tolerant of all stages tested. It should be mentioned that the recommended concentration

of methyl bromide for grain fumigation is 40 g/t. Pulegone was also found to cause sterility, reduction of fecundity, and egg emergence of F1 in the flour moth Ephestia cautella (Table 5).

Efficacy of essential oils against quarantine insects attacking cut flowers. By screening a large number of EOs and their active constituents extracted from aromatic plants, we could be able to isolate a number of very promising volatiles for the control of common quarantine insect pests attacking cut flowers. Different sensitivity was

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CAPÍTULO 3

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Table 2. Fumigant activity of SEM76 and Pulgone on some stored product insects Space fumigation. The exposure time was 12 hours.

Table 3. The synergistic effect of CO2 on the activity of Pulegone on some stored product insects. Space fumigation.

35

Comparison study between the activity of pulegone and SEM 76 showed that in space

fumigation these volatiles caused total mortality at a very low concentration of 0.5-1.5 µl/l air

and exposure time of 24 hrs. A little higher concentration of 2-4 µl/l air was needed to kill

larvae of Tribolium castaneum, Plodia interpunctella and Trogoderma granarium (Table 2).

Table 2. Fumigant activity of SEM76 and Pulgone on some stored product insects Space

fumigation. The exposure time was 12 hours.

Mortality (%)

Terpenoids

Conc.

(µl/l)

StageS.

oryzae

Oryzaephilus

surinamensis

Rhyzopertha

dominica

Tribolium

castaneum

Plodia

interpunctella

Trogoderma

granarium

0.5 100 100 100 87

SEM 76

1 100 100 100 100

1 100 89 100 68

Pulegone

1.5

Adult

100 100 100 84

2 60 90 55

SEM 76

4 96 100 100

2 58 63 55

Pulegone

4

Larvae

100 100 100

Supplementation of 15% CO2 increased the activity of the volatiles against all adult

and larvae tested (Table 3). In high bins, 15-20% CO2 is added together with the fumigants

methyl bromide or phosphine as a carrier, in order to facilate the penetration of the fumigants

to the bottom of the bin.

Table 3. The synergistic effect of CO2 on the activity of Pulegone on some stored product

insects. Space fumigation.

Mortality (%)

Stage

Conc.

µ l / l

S. oryzae T. castaneum O. surinamensis R. dominica P. interpunctella

1 100 68 89 100 -

15%CO2 5 0 26 18 -

30%CO2 72 0 26 55 -

Adults

1+15%CO2 100 100 100 100 -

1+30%CO2 - 0 - - 0

2 - 58 - - 63 Larvae

2+30%CO2 - 100 - - 96

Exposure time 24 hours

Pilot tests in simulation glass columns filled to 70% volume with wheat, under

conditions similar to those present in large grain bulks, showed that pulegone at a

concentration of 50 µl/l air, equivalent to 50 g/t wheat and a 7- days exposure time was

enough to obtain 94-100% mortality of all adult insects tested (Table 4). In addition,

supplementation of 15% CO2= (200g/t (wheat) caused a reduction in the volatile

concentration and shortened the exposure time (Table 4). Larvae of Tribolium castaneum

35

Comparison study between the activity of pulegone and SEM 76 showed that in space

fumigation these volatiles caused total mortality at a very low concentration of 0.5-1.5 µl/l air

and exposure time of 24 hrs. A little higher concentration of 2-4 µl/l air was needed to kill

larvae of Tribolium castaneum, Plodia interpunctella and Trogoderma granarium (Table 2).

Table 2. Fumigant activity of SEM76 and Pulgone on some stored product insects Space

fumigation. The exposure time was 12 hours.

Mortality (%)

Terpenoids

Conc.

(µl/l)

StageS.

oryzae

Oryzaephilus

surinamensis

Rhyzopertha

dominica

Tribolium

castaneum

Plodia

interpunctella

Trogoderma

granarium

0.5 100 100 100 87

SEM 76

1 100 100 100 100

1 100 89 100 68

Pulegone

1.5

Adult

100 100 100 84

2 60 90 55

SEM 76

4 96 100 100

2 58 63 55

Pulegone

4

Larvae

100 100 100

Supplementation of 15% CO2 increased the activity of the volatiles against all adult

and larvae tested (Table 3). In high bins, 15-20% CO2 is added together with the fumigants

methyl bromide or phosphine as a carrier, in order to facilate the penetration of the fumigants

to the bottom of the bin.

Table 3. The synergistic effect of CO2 on the activity of Pulegone on some stored product

insects. Space fumigation.

Mortality (%)

Stage

Conc.

µ l / l

S. oryzae T. castaneum O. surinamensis R. dominica P. interpunctella

1 100 68 89 100 -

15%CO2 5 0 26 18 -

30%CO2 72 0 26 55 -

Adults

1+15%CO2 100 100 100 100 -

1+30%CO2 - 0 - - 0

2 - 58 - - 63 Larvae

2+30%CO2 - 100 - - 96

Exposure time 24 hours

Pilot tests in simulation glass columns filled to 70% volume with wheat, under

conditions similar to those present in large grain bulks, showed that pulegone at a

concentration of 50 µl/l air, equivalent to 50 g/t wheat and a 7- days exposure time was

enough to obtain 94-100% mortality of all adult insects tested (Table 4). In addition,

supplementation of 15% CO2= (200g/t (wheat) caused a reduction in the volatile

concentration and shortened the exposure time (Table 4). Larvae of Tribolium castaneum


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Table 4. Fumigant activity of Pulegone, in columns with 70% winter wheat filling, with and without CO2.

Table 5. The effect of fumigation of E. cautella larvae with Pulegone on progeny.

36

were found to be most tolerant of all stages tested. It should be mentioned that the

recommended concentration of methyl bromide for grain fumigation is 40 g/t. Pulegone was

also found to cause sterility, reduction of fecundity, and egg emergence of F1 in the flour

moth Ephestia cautella (Table 5).

Table 4. Fumigant activity of Pulegone, in columns with 70% winter wheat filling, with and

without CO2.

Mortality (%)

Stage

Concentration

(µl/l)

Sitophilus

oryzae

Tribolium

castaneum

Oryzaephilus

surinamensis

Rhyzopertha

dominica

Plodia

interpunctella

Adult 70 (5 days) 100 100 100 100 -

50 (7 days) 100 100 100 100 -

30 76 18 50 43 -

15%CO2 0 5 27 12 -

30+15%CO2 100 83 85 93 -

Larvae 30 - 27 - - 80

15%CO2 - 0 - - 67

30+15%CO2 - 34 - - 90

Exposure time 3 days


Conc. Larvae F0 Adult Sterile No of eggs Eggs F

1 Adult

µl/l

mortality

%

emergence

%

Females

%

laid per

1 female

hatched

%

emergence

%

2 10 80 30 100 75 75

3 20 55 40 88 75 57

5 45 30 40 70 70 53

6 65 25 70 50 20 0

Exposure time 24 h. The data are % of control

Efficacy of essential oils against quarantine insects attacking cut flowers. By screening a

large number of EOs and their active constituents extracted from aromatic plants, we could be

able to isolate a number of very promising volatiles for the control of common quarantine

insect pests attacking cut flowers. Different sensitivity was observed among the insect tested:

the whitefly, Bemisia tabaci, thrips Frankliniella occidentalis and the leaf minor Liriomyza

huidobrensis. Safrole and SEM76 were found most active against B. tabaci and F.

occidentalis. A concentration of 10 g/m3

and exposure time of 2 hrs were enough to obtain

36

were found to be most tolerant of all stages tested. It should be mentioned that the

recommended concentration of methyl bromide for grain fumigation is 40 g/t. Pulegone was

also found to cause sterility, reduction of fecundity, and egg emergence of F1 in the flour

moth Ephestia cautella (Table 5).

Table 4. Fumigant activity of Pulegone, in columns with 70% winter wheat filling, with and

without CO2.

Mortality (%)

Stage

Concentration

(µl/l)

Sitophilus

oryzae

Tribolium

castaneum

Oryzaephilus

surinamensis

Rhyzopertha

dominica

Plodia

interpunctella

Adult 70 (5 days) 100 100 100 100 -

50 (7 days) 100 100 100 100 -

30 76 18 50 43 -

15%CO2 0 5 27 12 -

30+15%CO2 100 83 85 93 -

Larvae 30 - 27 - - 80

15%CO2 - 0 - - 67

30+15%CO2 - 34 - - 90

Exposure time 3 days


Conc. Larvae F0 Adult Sterile No of eggs Eggs F

1 Adult

µl/l

mortality

%

emergence

%

Females

%

laid per

1 female

hatched

%

emergence

%

2 10 80 30 100 75 75

3 20 55 40 88 75 57

5 45 30 40 70 70 53

6 65 25 70 50 20 0

Exposure time 24 h. The data are % of control

Efficacy of essential oils against quarantine insects attacking cut flowers. By screening a

large number of EOs and their active constituents extracted from aromatic plants, we could be

able to isolate a number of very promising volatiles for the control of common quarantine

insect pests attacking cut flowers. Different sensitivity was observed among the insect tested:

the whitefly, Bemisia tabaci, thrips Frankliniella occidentalis and the leaf minor Liriomyza

huidobrensis. Safrole and SEM76 were found most active against B. tabaci and F.

occidentalis. A concentration of 10 g/m3

and exposure time of 2 hrs were enough to obtain

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48

CAPÍTULO 3

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37

100% kill, compared to methyl bromide 15 g/m3

. For L. huidobrensis a concentration of 50

g/m3

and exposure time of 2 hrs were needed to obtain 100% kill (Table 6).

Table 6. Toxicity of plant volatiles on quarantine insect pests of cut flowers

Whitefly (Bemisia tabaci)

Trips (Frankliniella

occidentalis)

Leaf miner (Liriomyza

huidobrensis)

Oil

ComponentConce

nt.

g/m3

Exposur

e time

(h)

Mortalit

y %

Concent

g/m3

Exposur

e time

(h)

Mortalit

y %

Concent

. g/m3

Exposur

e time

(h)

Mortality %

1.8-Cineole 15 2 100 20 4 100 50 2 89

Fennel 20 4 100 20 4 67 50 2 97

Safrole 10 2 100 20 4 94 - - -

SEM76 10 2 100 20 4 67 - - -

Pulegone - - - - - - 50 2 100

Methyl

Bromide

15 2 100 20 4 100 30 3 100

Temperature during treatment was 25°C. Mortality was recorded: 3 h after treatment for whitefly, 24 h for thrips,

and 48 h for leaf miner.

The phytotoxicity of these volatiles is dependent on the species and also on the variety

of the flowers. For example, Dianthus was much more sensitive compared to gypsophila

(Table 7). The phytotoxic effect is also influenced by the temperature especially cooling after

treatment. When Dianthus variety Rendezvous was kept at 5°C for 7 days after fumigation, no

phytotoxicity was recorded, but at 25°C some volatiles showed phytotoxic effect (Table 8).

Table 7. Phytotoxicity of plant volatiles on Dianthus (var. Rendezvous) and Gypsophila

Phytotoxicity

Essential oils

Conc.

(µl/l)

Exposure

time (h) Dianthus Gypsopfila

15 2 3 0.1

1.8-Cineole

(Terpenoid)

30 4 3 2

Anise 30 4 0 0

Fennel 30 4 0 0

Safrole 30 4 0 0

Applemint 30 4 2 1

Pulegone 30 4 1 0

1.5L fumigation chambers were used. Temperature during fumigation and phytotoxicity tests was 25°C.

Phytotoxicity was recorded 7 days after treatment, range 0-3.


observed among the insect tested: the whitefly, Bemisia tabaci, thrips Frankliniella occidentalis and the leaf minor Liriomyza huidobrensis. Safrole and SEM76 were found most active against B. tabaci and F. occidentalis. A concentration of 10 g/m3 and exposure time of 2 hrs were enough to obtain 100% kill, compared to methyl bromide 15 g/m3. For L. huidobrensis a concentration of 50 g/m3 and exposure time of 2 hrs were needed to obtain 100% kill (Table 6).

The phytotoxicity of these volatiles is dependent on the species and also on the variety of the flowers. For example, Dianthus was much more sensitive compared to gypsophila (Table 7). The phytotoxic effect is also influenced by the temperature especially cooling after treatment. When Dianthus variety Rendezvous was kept at 5°C for 7 days after fumigation, no phytotoxicity was recorded, but at 25°C some volatiles showed phytotoxic

effect (Table 8).

Possible mode of action of essential oils:

a) Inhibitory activity on Acetylcholinesterase (AchE). Compounds that inhibit or inactivate AchE cause acetylcholine to accumulate at synapses of cholinergic sites. This change produces continuous stimulation of cholinergic fibers at neuromuscular junctions as well as throughout both the central and peripheral nervous systems causing overt neurotoxic responses leading to paralyses and death. The essential oil SEM 76 (contain 80% of not yet identified terpenoid) and pulegone were found to be highly toxic against all stored product insects tested. In our studies using AchE extracted from Rhizopertha dominica, a stored product insect, we showed that the inhibitory activity of SEM 76 and pulegone on AchE was only evident when high level of terpenoids (10-3M) were administered (Fig.

49


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Table 8. Effect of storage temperature on phytotoxicity of plant volatiles to Dianthus (var. Rendezvous)

37

100% kill, compared to methyl bromide 15 g/m3

. For L. huidobrensis a concentration of 50

g/m3

and exposure time of 2 hrs were needed to obtain 100% kill (Table 6).

Table 6. Toxicity of plant volatiles on quarantine insect pests of cut flowers

Whitefly (Bemisia tabaci)

Trips (Frankliniella

occidentalis)

Leaf miner (Liriomyza

huidobrensis)

Oil

ComponentConce

nt.

g/m3

Exposur

e time

(h)

Mortalit

y %

Concent

g/m3

Exposur

e time

(h)

Mortalit

y %

Concent

. g/m3

Exposur

e time

(h)

Mortality %

1.8-Cineole 15 2 100 20 4 100 50 2 89

Fennel 20 4 100 20 4 67 50 2 97

Safrole 10 2 100 20 4 94 - - -

SEM76 10 2 100 20 4 67 - - -

Pulegone - - - - - - 50 2 100

Methyl

Bromide

15 2 100 20 4 100 30 3 100

Temperature during treatment was 25°C. Mortality was recorded: 3 h after treatment for whitefly, 24 h for thrips,

and 48 h for leaf miner.

The phytotoxicity of these volatiles is dependent on the species and also on the variety

of the flowers. For example, Dianthus was much more sensitive compared to gypsophila

(Table 7). The phytotoxic effect is also influenced by the temperature especially cooling after

treatment. When Dianthus variety Rendezvous was kept at 5°C for 7 days after fumigation, no

phytotoxicity was recorded, but at 25°C some volatiles showed phytotoxic effect (Table 8).


Phytotoxicity

Essential oils

Conc.

(µl/l)

Exposure

time (h) Dianthus Gypsopfila

15 2 3 0.1

1.8-Cineole

(Terpenoid)

30 4 3 2

Anise 30 4 0 0

Fennel 30 4 0 0

Safrole 30 4 0 0

Applemint 30 4 2 1

Pulegone 30 4 1 0

1.5L fumigation chambers were used. Temperature during fumigation and phytotoxicity tests was 25°C.

Phytotoxicity was recorded 7 days after treatment, range 0-3.

1.5L fumigation chambers were used. Temperature during fumigation and phytotoxicity tests was 25 °C. Phytotoxicity was recorded 7 days after treatment, range 0-3.


38

Table 8. Effect of storage temperature on phytotoxicity of plant volatiles to Dianthus (var.

Rendezvous)

Essential oils Phytotoxicity

Terpenoids

Conc.

(µl/l)

Exposure

time (h) 5°C 25°C

Anise 15 2 0 0

Fennel 15 2 0 0

Safrole 15 2 0 0.1

1.8-Cineole 15 2 0 3

Pulegone 15 2 0 0.1

1.5L fumigation chambers were used. Temperature during fumigation was 25°C. Phytotoxicity was recorded 7

days after treatment, at storage temperature of 5 and 25°C.

Possible mode of action of essential oils:

a) Inhibitory activity on Acetylcholinesterase (AchE). Compounds that inhibit or inactivate

AchE cause acetylcholine to accumulate at synapses of cholinergic sites. This change

produces continuous stimulation of cholinergic fibers at neuromuscular junctions as well as

throughout both the central and peripheral nervous systems causing overt neurotoxic

responses leading to paralyses and death. The essential oil SEM 76 (contain 80% of not yet

identified terpenoid) and pulegone were found to be highly toxic against all stored product

insects tested. In our studies using AchE extracted from Rhizopertha dominica, a stored

product insect, we showed that the inhibitory activity of SEM 76 and pulegone on AchE was

only evident when high level of terpenoids (10-3

M) were administered (Fig. 1, see also

Greenberg et al., 1993). These doses were at such high levels that they cannot be accounted

for the toxic effect observed in vivo by these compounds on the same insect species (Shaaya

et al., 2001, 2002), which were obtained at much lower concentrations of (10-6

M=1.5µl/l of

air). For comparison, we could show that d-limonene which has low toxicity was found to

have no effect on AchE activity (Fig.1). The failure of the bioactive compounds to produce a

stronger enzyme inhibition indicated that AchE was probably not the main site of action of

essential oils.

1.5L fumigation chambers were used. Temperature during fumigation was 25 °C. Phytotoxicity was recorded 7 days after treatment, at storage temperature of 5 and 25°C.

39

Figure 1. Effect of pulegone, SEM76 and d-limonene on acetylcholinesterase as compared to

the toxicity on R. dominica.

b) Inhibitory activity on octopaminergic sites. Another possible target for essential oils

neurotoxicity is the octopaminergic system in insects. Octopamine is a multifunctional

naturally occurring biogenic amine that plays a key role as neurotransmitter, neurohormone

and neuromodulator in invertebrate systems (Evans, 1981), with a physiological role

analogous to norepinephrine in vertebrates. The octopaminergic system in insects represents a

biorational target for insecticidal action and has been targeted by various insecticides in the

past, e.g., formamidines (Haynes, 1988; Perry et al., 1988). Many of the physiological

functions of octopamine appear to be mediated by a class of octopamine receptors specifically

linked to a protein coupled to the enzyme adenylate cyclase. These physiological actions have

been shown to be associated with elevated levels of cyclic-AMP (Evans, 1984). Using an

insect in-vitro cuticular tissue preparation, intracellular levels of cyclic-AMP were observed

to increase in relation to the exposure time to octopamine as compared to control (Rafaeli and

Gileadi, 1995). Similar increase in cyclic-AMP was also observed using the essential oil SEM

76 and the monoterpenoid pulegone by mimicking the octopamine response (Fig. 2).

In order to evaluate, if the increase in cyclic-AMP levels is the result of inhibition of

phosphodiesterase or activation of adeylate cyclase, two enzymes are involved in cyclic-AMP

production. First, we could show that these increases were observed also in the presence of

isobutylmethylxanthine an inhibitor of phosphodiesterase, which make it possible that the

latter is the case. Indeed, on the addition of the octopamine antagonist, phentolamine, both the

responses to octopamine as well as the essential oil SEM 76 and pulegone were strongly

antagonized and no elevation in cyclic-AMP-was observed (Fig.2, see also Shaaya et al.,

2001; Kostyukovsky et al., 2002). These effects were observed at low dilutions of the

essential oil (estimated 10-7

and 10-8

M range) levels that induced the overt behavioral toxicity

responses in vivo (Table 2 and Kostyukovsky et al., 2002).

0

20

40

60

80

100

d-limonene Pulegone SEM76

% M

ort

alit

y/In

hib

itio

n

% Mortality at 10-6M % inhibition of ACHE at 10-3M

Figure 1. Effect of pulegone, SEM76 and d-limonene on acetylcholinesterase as compared to the toxicity on R. dominica.

CIQA UAAAN

1, see also Greenberg et al., 1993). These doses were at such high levels that they cannot be accounted for the toxic effect observed in vivo by these compounds on the same insect species (Shaaya et al., 2001, 2002), which were obtained at much lower concentrations of (10-6M=1.5µl/l of air). For comparison, we could show that d-limonene which has low toxicity was found to have no effect on AchE activity (Fig.1). The failure of the bioactive compounds to produce a stronger enzyme inhibition indicated that AchE was probably not the main site of action of essential oils.

b) Inhibitory activity on octopaminergic sites. Another possible target for essential oils neurotoxicity is the octopaminergic system in insects. Octopamine is a multifunctional naturally occurring biogenic amine that plays a key role as neurotransmitter, neurohormone and neuromodulator in invertebrate systems (Evans, 1981), with a physiological role analogous to norepinephrine in vertebrates. The octopaminergic system in insects represents a biorational target for insecticidal action and

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CAPÍTULO 3

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Figure 2. Effect of pulegone, SEM76, d-limonene and octopamine on intracellular cAMP

40

Figure 2. Effect of pulegone, SEM76, d-limonene and octopamine on intracellular cAMP

The facts that: the essential oil response is strongly insect-specific, as is octopamine

neurotransmission; its ability to mimic the action of octopamine at low doses; and the

inhibitory action on essential oils response by phentolamine, an octopamine inhibitor. We can

postulate that essential oils may affect octopaminergic target sites.

Conclusions

The use of toxic insecticide for pest control in agriculture developed a number of

environmental and human health safety problems, besides the development of pest resistance,

persistence of residues and negative effects on non-target organisms. These issues have forced

authorities to consider restricting the use of some of the current pesticides. This situation has

prompted the search for safe alternatives for the control of insects. Aromatic plant volatiles

have been known to affect behavioral responses of insect pests with high biological activity

against insects. Our findings, as well that of other researchers, suggest that certain plant

essential oils and their active constituents, mainly terpenoids, have potentially high bioactivity

against a range of insects and mites. They are also highly selective to insects, since they are

probably targeted to the insect-selective octopaminergic receptor, a non-mammalian target.

On the basis of their insect selectivity, a mixture of essential oil, trade marked hexahydroxyl

(ECO PCO, Ecosmart Technologies, Franklin, Tennessee, USA) was formulated to be used

against a variety of insect pests. The worldwide availability of plant essential oils and their

terpenoids, and their use as flavorings agents in food and beverages is a good indication of

their relative safety to warm blood animals and humans. They are also classified as "generally

recognized as safe" (GRAS). In addition to the above, we showed that some essential oils and

their main constituents have great potential as fumigant alternatives for the control of stored-

products and cut flowers insects. The ultimate goal is the introduction of phytochemicals with

low toxicity, which comply with health and environmental standards, as alternatives to methyl

bromide and phosphine for the preservation of grain and dry food. The reduction in the use of

conventional synthetic toxic pesticides gives these bioactive chemicals, the potential, to be

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

10-9M 10-8M 10-7M

Concentraton

cAM

P le

vels

(p

mo

l/ab

do

min

al s

egm

ent)

SEM-76 Octopamine

Pulegone d-limonene

SEM-76+Phentolamine (10-5M)


has been targeted by various insecticides in the past, e.g., formamidines (Haynes, 1988; Perry et al., 1988). Many of the physiological functions of octopamine appear to be mediated by a class of octopamine receptors specifically linked to a protein coupled to the enzyme adenylate cyclase. These physiological actions have been shown to be associated with elevated levels of cyclic-AMP (Evans, 1984). Using an insect in-vitro cuticular tissue preparation, intracellular levels of cyclic-AMP were observed to increase in relation to the exposure time to octopamine as compared to control (Rafaeli and Gileadi, 1995). Similar increase in cyclic-AMP was also observed using the essential oil SEM 76 and the monoterpenoid pulegone by mimicking the octopamine response (Fig. 2).

In order to evaluate, if the increase in cyclic-AMP levels is the result of inhibition of phosphodiesterase or activation of adeylate cyclase, two enzymes are involved in cyclic-AMP production. First, we could show that these increases were observed also in the presence of isobutylmethylxanthine an inhibitor of phosphodiesterase, which make it possible that the latter is the case. Indeed, on the addition of the octopamine antagonist, phentolamine, both the responses to octopamine as well as the essential oil SEM 76 and pulegone were strongly antagonized and no elevation in cyclic-AMP-was observed (Fig.2, see also Shaaya et al., 2001; Kostyukovsky et al., 2002). These effects were observed at low dilutions of the essential oil (estimated 10-7 and 10-8M range) levels that induced the overt behavioral toxicity responses in vivo (Table 2 and Kostyukovsky et al., 2002).

The facts that: the essential oil response is strongly insect-specific, as is octopamine neurotransmission; its ability to mimic the action of octopamine at low doses; and the inhibitory action on essential oils response by phentolamine, an octopamine inhibitor. We can postulate that essential oils may affect octopaminergic target sites.

Conclusions

The use of toxic insecticide for pest control in agriculture developed a number of environmental and human health safety problems, besides the development of pest resistance, persistence of residues and negative effects on non-target organisms. These issues have forced authorities to consider restricting the use of some of the current pesticides. This situation has prompted the search for safe alternatives for the control of insects. Aromatic plant volatiles have been known to affect behavioral responses of insect pests with high biological activity against insects.

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Our findings, as well that of other researchers, suggest that certain plant essential oils and their active constituents, mainly terpenoids, have potentially high bioactivity against a range of insects and mites. They are also highly selective to insects, since they are probably targeted to the insect-selective octopaminergic receptor, a non-mammalian target. On the basis of their insect selectivity, a mixture of essential oil, trade marked hexahydroxyl (ECO PCO, Ecosmart Technologies, Franklin, Tennessee, USA) was formulated to be used against a variety of insect pests. The worldwide availability of plant essential oils and their terpenoids, and their use as flavorings agents in food and beverages is a good indication of their relative safety to warm blood animals and humans. They are also classified as “generally recognized as safe” (GRAS). In addition to the above, we showed that some essential oils and their main constituents have great potential as fumigant alternatives for the control of stored-products and cut flowers insects. The ultimate goal is the introduction of phytochemicals with low toxicity, which comply with health and environmental standards, as alternatives to methyl bromide and phosphine for the preservation of grain and dry food. The reduction in the use of conventional synthetic toxic pesticides gives these bioactive chemicals, the potential, to be used as a complementary or alternative method in crop protection and integrated pest management.

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CAPÍTULO 3

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Smelyanets V.P., Kuznetsov N.V. (l968). Toxicity of some terpene compounds. Khimija v Selskom Khozjajstve 6 (10):754-755.

Tyler P.S., Taylor R.W. and Rees D.P. (1983). Insect resistance to phosphine fumigation in food warehouses in Bangladesh. International Pest Control 25:10-13.

Weaver D. K., Dunkel F. V., Ntezurubaza L., Jackson L. L., Stock D. T. (1991). The efficacy of linalool, a major component of freshly milled Ocimum canum Sims (Lamiaceae) for protection against post-harvest damage by certain stored product Coleoptera. J. Stored Prod. Res. 27:213-220.

Wilson L. and Shaaya E. (1999). Natural plant extracts might sub for methyl bromide. Agricultural research. 47:14-15.

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SECCIÓN I


Capítulo 4

ISTVÁN UJVÁRY. Chemical Research Center, Hungarian Academy of Sciences, H-1525 Budapest, POB 102, Hungary. iKem BT, H-1033 Budapest, Búza u. 32, Hungary.

“Organisms are superb chemists. In a sense they are collectively better than all the world s̓ chemists at synthesizing organic molecules of practical use. Through millions of generations each kind of plant, animal, and microorganism has experimented with chemical substances to meet its special needs. Each species has experienced astronomical numbers of mutations and genetic recombinations affecting its biochemical machinery. The experimental products thus produced have been tested by the unyielding forces of natural selection, one generation at a time.” (Wilson, 1992).

The Future of Crop Protection Chemistry. Blending Old and New Technologies in Research and Manufacture

El Futuro de la Química de Protección de Cultivos. Mezclando Viejas y Nuevas Tecnologías en Investigación y Producción

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Resumen

El mercado global de los agroquímicos ha sido casi de $30,000 millones de dólares durante los recientes años. Pero mientras que no ha habido crecimiento notable en ventas globales, si han habido cambios importantes durante la última década en la química de todas las categorías de pesticidas. El descubrimiento de nuevos prototipos estructurales ha proporcionado nuevos productos para reemplazar varios pesticidas obsoletos. Se espera que la química sintética tradicional continúe proporcionando valiosas primicias para nuevos químicos usados para el control de plagas. Las bibliotecas de sintéticos combinatorios, pensadas para ser una fuente inagotable de nuevos pesticidas, no han cumplido todavía con las expectativas. La diversidad química ofrecida por productos naturales no sólo ha proporcionado muchos pesticidas naturales genuinos, si no que también han proporcionado muchos prototipos estructurales para los análogo sintéticos. Perturbadoramente se ha encontrado que varios químicos sintéticos y sus productos de biotransformación (productos semi-naturales) contaminan extractos botánicos.

La caracterización biomolecular del modo de acción de muchos agentes de control de plagas al nivel de receptor y de la enzima, ha permitido ahora que el diseño de un pesticida con la ayuda de una computadora se haga una realidad. Para la sustentabilidad, las consideraciones

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Futuro de la Química de Pesticidas

medioambientales deben ser cruciales al nivel del producto final así como en los procesos industriales (química verde). Complementando herramientas biológicas y biotecnológicas, los agentes naturales y sintéticos de control de plagas usados tradicionalmente para la producción de comida y fibra, para el control de vectores de enfermedades, así como para los nuevos mercados potenciales (ejem., biorenovables para materia prima industrial y como fuentes de energía) serán esenciales para mejorar el bienestar de la población mundial creciente. El impacto de las técnicas de biología molecular dependerá sin embargo, no sólo de la ciencia, si no también de consideraciones políticas.

Abstract

The global agrochemical market has been around US$30,000 million for recent years. While there has been no essential growth in overall sales there have been important changes in the chemistries of all pesticide categories over the last decade. The discovery of new structural prototypes has provided new products to replace several obsolete pesticides. It is expected that traditional synthetic chemistry will continue to supply valuable leads for new pest control chemicals. Synthetic combinatorial libraries, thought to be an inexhaustible source for new pesticides, have not yet met expectations. The chemical diversity offered by natural products has not only provided many genuine natural pesticides but also provided many structural prototypes for synthetic analogues. Disturbingly, various synthetic chemicals and their biotransformation products (semi-natural products) have been found to contaminate botanical extracts.

The biomolecular characterization of the mode of action of many pest control agents at receptor and

enzyme level has by now rendered computer-aided pesticide design a reality. For sustainability, environmental considerations should be crucial at the end-product level as well as in manufacturing processes (green chemistry). Complementing biological and biotechnological tools, natural and synthetic pest control agents traditionally used for the production of food and fiber, for disease vector control as well as for potentially new markets (e.g., biorenewables for industrial raw materials and as energy sources) will be essential in improving the welfare of the growing world population. The impact of molecular biology techniques will, however, depend not only on science but also on political considerations.

Introduction

Natural, synthetic and semi-synthetic pest and disease control chemicals have been used extensively in agriculture as well as in animal and human disease vector control over the past century and will undoubtedly be used for decades. In 2006, the combined global sales of pest control agents used for crop and non-crop applications were US$35,575 million (Phillips McDougall, 2007). While the overall sales of agrochemicals for crop protection is not expected to expand much beyond US$30,000 million, the market for non-crop agrochemicals will continue to grow. Biopesticides, mostly Bt-based products, represent an estimated market value of over US$700 million and will also continue to increase.

One of the reasons for the essentially static market of conventional crop protection chemicals is the increasing adoption and acceptance of genetically modified crop traits, especially in the non-food sector. The global area where biotech crops are cultivated has sustained a double-digit growth rate for a decade and it is now 102 million

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hectares. In 2006, the total market value of biotech crops was US$6,150 million with a concomitant reduction in pesticide use and in their environmental impact (James 2006). A large portion of the manufactured pesticides is sold on domestic markets, while the rest is exported making the industry truly global and dependent on trade. It is noteworthy that between 1961 and 2003 the world population doubled from 3.14 billion to 6.30 billion, while the increase in global pesticide export was almost fifty-fold during this period (from US$268 million to US$12,574 million) (FAOSTAT 2006; see also Tilman et al., 2002), reflecting the immense growth both in industrial capacity and the global need for such chemicals during this period.

This chemically oriented overview will mainly focus on research and development of new agrochemicals but manufacturing aspects, reflecting changing health and environmental requirements will also be discussed briefly.

New compound research. To prevent pre- and post-harvest losses, the control of weeds, plant pathogens and pest insects is a necessity for efficient, ecological and economical agriculture. To satisfy the needs of the continuously growing population, sustainable production of food and fiber as well as renewable energy resources demands a steady, science-based innovation in crop protection chemistry. Pesticides have also proven to be indispensable in preventing animal and human diseases spread by insects or caused by certain toxins (e.g., mycotoxins). Major agrochemical companies spend an average of 7.5% of their annual sales on research and development of new products and on improving the activity or safety of existing ones (CropLife 2005, Phillips McDougall, 2005). Global agrochemical research and development expenditures now exceed US$2,250 million. It has been estimated that the development of a new product

from discovery to first sales typically takes 8-9 years and costs from US$180 to US$220 million. Of these expenses, US$67 million is spent on chemistry-related research, US$80 million on biological studies, and US$53 million on toxicological and environmental fate studies.

According their origin, pest control agents are mainly from natural and synthetic sources but a few active ingredients are obtained by appropriate synthetic modifications of naturally derived substances (semi-synthetic products). A recent statistical analysis of currently marketed active ingredients revealed that on a numerical basis about 22% of all crop protection chemicals are either genuine natural products, semi-synthetic derivatives or natural product analogues reflecting the indispensable role natural products have played in chemical pest control (Ujváry, 2002). From a historical point of view, the overall impact of natural products on agricultural practices is thus far greater than their market share.

The main driving forces behind the search for new crop protection chemicals and disease vector control agents are as follows:

a) Unsolved pest control problems;

b) Improvements over or replacement of existing products by new compounds that are environment-friendly and less toxic to non-target organisms;

b) Resistance towards currently used control agents;

c) Newly occurring pests and diseases necessitating new control methods; and

d) Economic incentives.

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CAPÍTULO 4

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Because any pest control agent is expected to affect only the target organism(s), the quest for more selective chemicals is well justified. Resistance, however, is quite a different motive to develop a new pest control agent. The continuous reliance on one particular pesticide in the field inevitably increases the risk of the development of resistance to that active ingredient. This resistance can extend to other compounds having the same or sometimes even different mode of action. Instances of resistance to at least one relevant pest control agent have been recorded for over 550 of insect species (IRAC, 2007), over 300 weed biotypes (Heap, 2007), and some 350 plant pathogen isolates (FRAC, 2006). Many of the reported resistance cases are laboratory findings, but field performance failures have frequently been encountered. Resistance management has become an essential part of crop protection and one of the promising ways of decreasing the risk of its occurrence is to use novel compounds ideally with different or multiple modes of action.

As mentioned before, more than half of research and development costs are devoted to chemistry- and biology-based research programs. It has been estimated that over 100,000 compounds have to be tested to bring a new pest control agent to market. The sources of these new compounds are as follows:

a) Natural products;

b) Randomly prepared synthetic compounds (synthetic compound libraries);

c) Analogue design using structural modifications of known active compounds;

d) Rational design based on known biochemical or

physiological mechanisms;

e) computer-aided design using the three-dimensional structure of the target site; and

f) Serendipity.

Natural products. Natural products, derived from plants, microorganisms or animals are exceptional sources of structural diversity and of chemical scaffolds that, by virtue of their presumed ecological role, have proven to be capable binding to proteins. Natural products can be used either directly in pest control (Copping and Duke, 2007) or can serve as models (lead compounds) for the development of synthetic analogs with favourable biological and physicochemical properties.

Typically, natural extracts are multi-component mixtures of metabolically related compounds (Natureʼs combinatorial chemical library). Not only the mixture but also its pure constituents can display an array of activities against various organisms and can affect multiple biochemical targets (e.g., membranes, various enzymes and receptors). From a practical point view, the use of mixtures can be advantageous, e.g., in resistance management. However, traces of a potent constituent contaminating other fractions can complicate biological evaluations in research.

Why are natural products unique bioactive agents? According to recent comparative analyses of the structural characteristics of natural and synthetic substances (Henkel et al., 1999, Stahura et al., 2000), natural products tend to have a larger molecular mass; more oxygen atoms, often in ring-connected alcohol, ether and ester functions; fewer nitrogen and halogen atoms; more polar surface

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regions; fewer aromatic systems but more non-aromatic C=C double bonds; more sp3-hybridized atoms; unique scaffold; and more chiral centers.

These statistical evaluations are in accord with analyses of the physicochemical profiles of pharmaceuticals (Lipinski et al., 1997) and pesticides (Tice, 2001). Unlike synthetics, however, natural products defy clear-cut categorization according to their physicochemical and molecular properties. Some representative examples of structurally diverse natural products and synthetic analogues are shown in Figure 1 (see also Ujváry, 2003).

For direct use in agriculture, a natural product should be:

a) Efficacious against target species;

b) Safe and selective;

c) Sufficiently stable in the field;

d) Standardized for composition and formulation; and

e) Readily available.

If some of the above criteria are not met, appropriate structural modifications guided by structure-biological activity relationship studies can afford marketable pest control agents, as happened with the unstable natural strobilurins that served as models for a broad range of synthetic fungicides, e.g., azoxystrobin (Fig. 1). Sabadilla preparations, obtained from a liliaceous plant, contain the steroid alkaloid cevadine and veratridine as main bioactive ingredients. Modifications of the ester moiety (R group in Fig. 1) afforded semi-synthetic derivatives not only with improved insecticidal properties but also with antimicrobial

activity in the laboratory (Ujváry et al., 1991; Oros and Ujváry, 1999).

Emamectin is a novel semi-synthetic avermectin derivative endowed with potent anti-lepidopteran activity not observed for the original microbial natural product. More recently, fermentation provided complex structures for synthetic modifications tailored for specific activity resulting in DE-175 or spinetoram, a second-generation semi-synthetic version of the microbial insecticide spinosad (Crouse et al., 2007). For the avermectin- and the spinosyn-producing bacteria, targeted modifications of the genes responsible for the biosynthesis of these complex glycosylated macrocyclic lactones could provide recombinant strains capable of producing further unique insecticides (Gaisser et al., 2003; Ikeda et al., 2003; Sheehan et al., 2006). Directed biosynthesis using non-natural precursors (e.g., amino acid analogues) that are then incorporated into the final molecule during fermentation has also led to novel and complex structures that would have been unattainable by chemical synthesis or simple fermentation.

The phenomenon that a plant can produce certain phytotoxins to provide advantage over competing plants has been known for centuries, but the development of cheap synthetic herbicides for use in monocultures temporarily relegated this knowledge to scientific curiosity. Allelopathy, defined as a general coevolutionary defence mechanism by which plants interact with other organisms in their ecosystem, is a dynamic and transient biochemical process that can be induced by several biotic and abiotic factors (Belz, 2007). To date many structurally diverse groups of allelochemicals have been characterized but their actual mode of action has rarely been identified (Macías et al., 2007). It should be mentioned that the triketone class

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CAPÍTULO 4

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Figure 1. Structural diversity of selected natural products and other related pest control

agents. For emamectin and spinetoram, only the major component of the commercialized

material is shown.

For direct use in agriculture, a natural product should be:

a) Efficacious against target species;

b) Safe and selective;

c) Sufficiently stable in the field;

d) Standardized for composition and formulation; and

e) Readily available.

If some of the above criteria are not met, appropriate structural modifications guided

by structure-biological activity relationship studies can afford marketable pest control agents,

as happened with the unstable natural strobilurins that served as models for a broad range of

synthetic fungicides, e.g., azoxystrobin (Fig. 1). Sabadilla preparations, obtained from a

liliaceous plant, contain the steroid alkaloid cevadine and veratridine as main bioactive

ingredients. Modifications of the ester moiety (R group in Fig. 1) afforded semi-synthetic

derivatives not only with improved insecticidal properties but also with antimicrobial activity

in the laboratory (Ujváry et al., 1991; Oros and Ujváry, 1999).

ONMe2

O

O

O

O

OO

OMeOMe

OEt

O

O O

O

MeO

O

O

O

O

O

OH

OH

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O

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N

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O

O

SO2Me

NO2

N

OH

OH

OH

OH

OH

OO

OH

H H

H

HR

OO

O

H

OO

HH

O

spinetoram (insecticide)emamectin B1a (insecticide)

glufosinate (herbicide) azoxystrobin (fungicide)

dinotefuran (insecticide)

fludioxonil (fungicide)

mesotrione (herbicide)

cevadine R = (Z)-MeCH=CMeveratridine R = 3,4-(MeO)2Ph(insecticide, antimicrobial)

artemisinin (herbicide)

Figure 1. Structural diversity of selected natural products and other related pest control agents. For emamectin and spinetoram, only the major component of the commercialized material is shown.


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of herbicides such as mesotrione (Fig.1) were developed based on leptospermone, a structurally similar allelo-chemical. Another fascinating allelochemical is artemisinin, a sesquiterpenoid endoperoxide lactone (Fig. 1) isolated from sweet wormwood, Artemisia annua. It has not only exceptional antimalarial properties but strong phytotoxicity as well (Bagchi et al., 1997; Dayan et al., 1999; Bohren et al., 2004). Artemisinin is obtained from the leaves and flowering parts of the plant, though in moderate yields. The recent engineering into yeast of the genes of key plant enzymes involved in artemisinin biosynthesis, however, should allow the economically feasible production of this important substance by fermentation (Ro et al., 2006).

Crops with enhanced allelochemical traits can be obtained either by classical breeding or by genetic engineering but to be competitive as an integrated weed control option, such weed management strategies must be comparable with the ease and cost of employing synthetic herbicides or other conventional weed control methods. Allelopathy has also been proposed for use in intercropping systems against weeds and insects (Khan et al., 2007) as well as against plant pathogens (Gómez-Rodríguez et al., 2003).

It is reasonable to expect that systematic screening of natural extracts will continue uncover novel bioactive compounds. It is also expected that the number of semi-synthetic derivatives with highly complex structures and with optimized potency against particular pests, otherwise not susceptible to the original natural product, will increase. In the current age of ecology and information technology, the exploitation of intra- and interspecific chemical signals for pest management will increase in importance. Advances in genomics will facilitate the discovery and development of new natural products, particularly for the

manipulative use of plant-herbivore, plant-plant and plant-pathogen interactions. As mentioned before, engineering of complex biosynthetic pathways to produce on industrial scale structurally complex chemicals in a tractable host organism also presents an attractive alternative to extraction from natural sources or to chemical synthesis.

Semi-natural products. Due to careless use, inappropriate disposal or long-range atmospheric transport, pesticides and many widely used organic chemicals can turn up at unexpected locations. Trace amounts of these synthetics, their metabolites or degradation products can contaminate also distant plants that are collected while searching for botanical pesticides and thus can be responsible for the observed biological activity of their extracts. Such anthropogenic substances that are (re)isolated from natural sources can be called semi-natural products (Ujváry, 2000). For example, a triazine that is apparently a metabolite of the herbicide cyanazine, has been reported to be an algal “natural product” (Su et al., 1998). The ubiquitous plasticizer dioctyl phthalate was identified as an “allelopathic compound” of a weed species (Hur, 2002). An organophosphate insecticide was isolated from a Chinese medicinal plant with purported insecticidal properties (Xu et al., 2003). Structurally simple commercial industrial benzylic compounds have recently been isolated from hops and were believed to be “natural products” (Qu et al., 2003). In some strange cases plants were deliberately tainted with bioactive compounds. Synthetic pyrethroids, a triazole fungicide and an oxadiazole herbicide were identified as the actual active components of some “botanical pesticides” sold for organic agriculture in Asia (Oh and Motoyama, 1996; Rahman and Motoyama, 1998). These are certainly rare though disturbing examples yet they can pose human or ecotoxicological risks, let alone mislead research efforts.

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CAPÍTULO 4

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Discovery through screening of synthetics. Synthetic chemistry has been a successful tool in pesticide discovery for decades. The origin of several currently used pesticides can be traced back to projects initiated by academia or industry purely on chemical grounds, typically around a structural motif. Biological and physico-chemical considerations used in structure-activity relationship studies came only after screening revealed interesting activities. This line of research is still worth to be pursued because it can be a source of novel structural prototypes. Systematic synthesis and screening of compounds with unique structures can also result in a resurgence of interest in a practically forgotten mode of action. For example, two decades ago the discovery of imidacloprid, the first member of the neonicotinoid insecticides, revived research in the nicotinic acetylcholine receptor (Yamamoto and Casida, 1999; Tomizawa and Casida, 2005).

Neonicotinoids have already captured about 20% of insecticide sales replacing many carbamates and organophosphates. Similarly, the ryanodine receptor affecting calcium release channels in skeletal and cardiac muscle has been known for decades as an underutilized insecticide target. Due to cost and supply constrains, the botanical Ryania insecticide had a limited market in organic farming, but its purified major constituent, the polyhydroxylated alkaloid ryanodine is widely used for research purposes. However, the recent discovery of flubendiamide, a novel phthalic acid diamide (Tohnishi et al., 2005) (Figure 2) and chlorantraniliprole, an anthranilic acid diamide derivative (Lahm et al., 2005), both acting at the ryanodine receptor, will certainly rekindle the interest in this old target (Nauen, 2006). Figure 2 depicts the structure of selected novel pest control agents discovered by random or systematic screening for biological activity of synthetic chemicals.

Combinatorial chemistry. Combinatorial synthesis is an automated process to rapidly prepare large sets (libraries) of structurally related compounds by combining series of building blocks (Nicolaou et al., 2002). While early efforts were aimed at quantity to produce tens of thousand of substances as un-separated mixtures for screening (“finding a needle in a haystack”), nowadays there is more emphasis on quality. To increase the chance of synthesizing biologically active compounds, it is preferable to explore with the help of computational chemistry the (physico) chemical space of the candidate structures by first generating virtual libraries in silico and then commit to synthesis only those compounds that satisfy specified criteria (Lipinski et al., 1997; Lipinski and Hopkins, 2004).

In the pharmaceutical industry combinatorial chemistry has had a major impact on lead compound generation and optimization, but its application in pesticide research is still limited (Kleschik et al., 2003, Scherkenbeck and Lindell, 2005). The first report on the combinatorial approach to discover an agrochemical lead described a synthetic library of 8000 amides and esters from which a pyrazolecarboxamide (Fig. 2) with herbicidal activity as low as 100 g/ha was identified (Parlow and Normansell, 1996). Recently, solution and solid-phase syntheses of sets of 5-50 member focused libraries of acylaminoketone analogues of the bisacylhydrazine ecdysteroid receptor agonist insecticides afforded several compounds highly active in vitro (Garcia et al., 2005). In a broad-range, whole-organism pesticide screening of diverse sets of novel synthetic heterocycles, judiciously designed for appropriate physico-chemical properties using Lipinskiʼs rules (Lipinski et al., 1997) then prepared in solution, several fungicidally active compounds were found (Martínez-Teipel et al., 2005).

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Figure 2. Chemical structure of selected pest control agents with novel structures. Asterisk (*) denotes chiral center.

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Figure 2. Chemical structure of selected pest control agents with novel structures.

Asterisk (*) denotes chiral center.

Combinatorial chemistry. Combinatorial synthesis is an automated process to rapidly

prepare large sets (libraries) of structurally related compounds by combining series of

building blocks (Nicolaou et al., 2002). While early efforts were aimed at quantity to produce

tens of thousand of substances as un-separated mixtures for screening (“finding a needle in a

haystack”), nowadays there is more emphasis on quality. To increase the chance of

synthesizing biologically active compounds, it is preferable to explore with the help of

computational chemistry the (physico) chemical space of the candidate structures by first

generating virtual libraries in silico and then commit to synthesis only those compounds that

satisfy specified criteria (Lipinski et al., 1997; Lipinski and Hopkins, 2004).

In the pharmaceutical industry combinatorial chemistry has had a major impact on

lead compound generation and optimization, but its application in pesticide research is still

limited (Kleschik et al., 2003, Scherkenbeck and Lindell, 2005). The first report on the

combinatorial approach to discover an agrochemical lead described a synthetic library of 8000

amides and esters from which a pyrazolecarboxamide (Fig. 2) with herbicidal activity as low

OO

O

O

O

N

NO

O

O

OMeO

MeO

NH

Cl

O

Cl

Cl

N

Cl

Cl

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O-iPr

N O

O

OH

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O

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N

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O

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O

SO2Me

O

NH

CF3

CF3

F

N

O

NH

O

O

spiromesifen (insecticide)

pinoxaden (herbicide)

verbutin (insecticide synergist)

carpropamid (fungicide)

aminopyralid (herbicide)

bifenazate (acaricide)

picaridin (insect repellent)

*

*

** *

** *

iprovalicarb (fungicide) pyrazolecarboxamide (herbicide)

flonicamid (aphicide)

flubendiamide (insecticide) chromafenozide (insecticide)

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CAPÍTULO 4

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High-throughput screening. To evaluate the large number of compounds originating either from natural or synthetic libraries high capacity bioassay methods are needed. High-throughput screening (HTS) is a miniaturized and automated procedure in which a large number of compounds are screened rapidly and in parallel for certain readily measurable biological response. In contrast to medicinal chemistry research where screening is typically done not on the target species, that is in humans, but in animal models and/or in vitro systems, pesticide research has the cost and risk saving advantage of testing candidate substances directly on a broad array of target species in vivo. This minimizes the attrition at a later developmental phase of compounds having poor absorption and rapid metabolism. Moreover, screening on the whole organism allows the observation of unusual symptoms therefore the potential for discovering a new mode of action. In recent years, much effort has been devoted to develop miniaturization and automation of whole organism assays to minimize the quantity of test compounds required for pesticide screens. Several agrochemical companies have by now implemented HTS systems that can test hundreds of thousands of substances per year using less than one milligram of the test material (Drewes et al., 2007). Combinatorial chemistry and HTS generate an astronomical number of data points thus require sophisticated data visualization and analysis tools.

Molecular modeling and structure-based design. Computer-aided bioactive compound design, in which the structural complementarity of molecular models of ligands and its target biopolymer is analyzed in three-dimension, has become a reality during the past decade (Walter, 2002). This approach relies on the three-dimensional structure of the target enzyme or receptor protein determined experimentally, typically by X-ray crystallography. By

April 2007, over 42 000 structures of enzymes, receptors or nucleic acids without or with a ligand had been deposited in the RCSB Protein Data Bank (http://www.rcsb.org). Of these, only a small fraction is relevant to crop protection. The number of crystal structures of pesticide ligand and target protein complexes involved in the mode of action of a given pest and plant disease control agent is about three dozens but the list is steadily increasing (Ujváry, 2006; Drewes et al., 2007). The most recent addition has been the clarification of the crystal structures of the plant hormone receptor protein of Arabidopsis thaliana in complexes with either auxin or the synthetic plant growth regulators 2,4-D and 1-naphthalene-acetic acid (Tan et al., 2007).

Structure-based approaches are exceptionally helpful tools for the identification and optimization of lead compounds. Moreover, comparative analyses of the binding of known or candidate pesticides to relevant enzymes or receptors from target and non-target organisms can give insight into the molecular aspects of selectivity and this information can guide the design of more potent analogues with fewer side effects. For example, comparison of the X-ray structures of 1,3-diketone-type ligands bound to plant (Arabidopsis thaliana) and mammalian (rat) 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenases, involved in the biosynthesis of plastoquinones and tocopherols, revealed the structural basis for the selectivity of experimental hydroxypyrazolyl ketone herbicides discovered by high-throughput screening (Yang et al., 2004). Furthermore, utilizing the crystal structure of the antifungal drug fluconazole bound to bacterial lanosterol 14α-demethylase, the key enzyme in ergosterol biosynthesis, and homology modeling using the amino acid sequences of this enzyme of several plant pathogens, the binding interaction of the triazole fungicide metconazole could be studied in silico (Ito et al., 2005). In the field of insect control, the recent

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elucidation of the X-ray structure of ecdysone receptor (Billas et al., 2003) involved in the regulation of insect growth and development has paved the way for computer-aided design of new receptor agonists (Nakagawa, 2005). Also, based on the X-ray structure of the acetylcholine-binding protein complexed with nicotine and site-directed mutagenesis data, a three-dimensional model was proposed to explain the selectivity of and resistance to the neonicotinoid insecticide imidacloprid (Matsuda et al., 2005).

Role of chirality in pesticide activity, toxicity and environmental biotransformation. All life processes, thus the interaction of bioactive molecules with their target site or with metabolizing enzymes occurs in a three-dimensional space. Due to the tetrahedral structure of a carbon atom with four different substituents, many pharmaceuticals and pesticides can have more than one stereoisomer. These isomers differ only by the relative arrangements of substituents around such centers of asymmetry. Numerically, about a quarter of all pest control agents listed in The Pesticide Manual (Tomlin, 2003) contain at least one asymmetric carbon atom, so in principle they exist in more than one stereoisomeric form. Often only one of these isomers elicits the desired biological activity. Yet, mostly for economic reasons, many of the synthetic products are commercialized as mixtures of stereoisomers. Again, natural products are exceptional because the biosynthetic machinery of the producing plant or microorganism typically supplies only a single stereoisomer. It has been recognized that the stereoisomers of a particular substance can have not only different bioactivities, including toxicity, but different metabolism or bio-degradation as well (Kurihara et al., 1997; Hegeman and Laane, 2002; Garrison, 2006). In many cases the biologically inactive stereoisomer acts

as inert ballast. In other cases, however, this isomer can affect non-target species adversely and/or degrade slowly in the environment. Thus, there is an increasing need to manufacture stereoisomerically enriched products, especially if studies indicate health or environmental risks for the unwanted “wrong” isomer. Moreover, the development of stereoselective manufacturing technologies would be not only environmentally prudent but can be costs-saving also because thousands of tons of unnecessary solvents and intermediates as well as energy can be saved during the industrial production of the ca. half-amount of the active ingredient.

Combination of chemical control with other pest management and disease vector control technologies. In 2006, the global market value of biotech crops was US$6,150 million corresponding to about 16% of the global agrochemical sales (James, 2006). The increasing adoption of crop biotechnology could limit the market for chemical pesticides, but this should only be noticeable for insecticide sales, which indeed have been negatively affected by the increasing proportion of Bt-producing plant varieties. The picture is less clear for weed control where herbicide-tolerant traits do require the application of a given herbicide. While the global adoption of transgenic herbicide-tolerant crops existing today will continue, new herbicide-resistance varieties are unlikely to be developed for crops grown for food and feed markets (Devine, 2005). However, an indirect impact of agricultural biotechnology should also be considered. The increasing demand for biorenewables, e.g., obtained from plants grown for fuel or polymer production, the advantage to customers could justify the developmental and regulatory cost associated with the introduction of such crop varieties. This might call for further research to find new, economically and environmentally viable herbicides and other pest control

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also be considered. The increasing demand for biorenewables, e.g., obtained from plants

grown for fuel or polymer production, the advantage to customers could justify the

developmental and regulatory cost associated with the introduction of such crop varieties.

This might call for further research to find new, economically and environmentally viable

herbicides and other pest control agents that could safely be used in these extensive

cultivations. Advances in insect genomics will impact pest and disease vector control as well

as the better management of insecticide resistance and a more sophisticated use of parasitic

wasps in biological control (Grimmelikhuijzen et al., 2007). Chemical means of insect control

can also supplement the so-called area-wide integrated pest management control strategies.

For example, the mass release of sterile insects in isolated areas is typically preceded by

initial population suppression by insecticides (Dyck et al., 2005).

Manufacturing Aspects. The discovery of a promising pesticide has to be followed by the

development of a manufacturing process capable of producing the material in the quantity and

the highest quality required. On monetary terms, costs associated with process development

and related analytical methodologies could be commensurate with those devoted to discovery

(Phillips McDougall, 2005). Factors other than manufacturing costs are becoming more and

more important in the development of an agrochemical. Because pest control agents are

applied to large areas, environmental considerations such as selective toxicity and degradation

studies in the field have always been required for the registration of both the active ingredient

and the formulation. But currently no formal registration requirements exist for the

manufacturing process, which often involve hazardous or polluting auxiliary chemicals

(reagents, solvents, etc.). Recently, the desire to develop processes with minimal

environmental impact has been a main concern of managers and technologists in the chemical

industry. It has become evident that process research and development should be integrated

with the rest of agrochemical discovery regardless whether the material to be manufactured is

a new chemical entity or a known product.

Green chemistry and engineering. Due to health and environmental reasons, chemical

industry is gradually adopting the principles of the so-called green chemistry (Anastas and

Kirchhoff, 2002; US EPA, 2007) for the innovative design and production of materials to

prevent and reduce pollution. These principles (Table 1) should be applicable not only to the

pesticidally active ingredient but also to the development of environment friendly formulation

types.

Table 1. The Twelve Principles of Green Chemistry

1. Design safer chemicals and products

2. Design less hazardous syntheses

3. Prevent waste

4. Use renewable feedstock

5. Use catalysts, not stoichiometric reagents

6. Avoid chemical derivatives (e.g., protective groups) during synthesis

7. Maximize “atom economy”

8. Use safer solvents and reaction conditions

9. Increase energy efficiency

10. Design chemicals and products that degrade after use

11. Use real-time process monitoring and analysis to prevent pollution

12. Minimize potential for accidents


agents that could safely be used in these extensive cultivations. Advances in insect genomics will impact pest and disease vector control as well as the better management of insecticide resistance and a more sophisticated use of parasitic wasps in biological control (Grimmelikhuijzen et al., 2007). Chemical means of insect control can also supplement the so-called area-wide integrated pest management control strategies. For example, the mass release of sterile insects in isolated areas is typically preceded by initial population suppression by insecticides (Dyck et al., 2005).

Manufacturing Aspects. The discovery of a promising pesticide has to be followed by the development of a manufacturing process capable of producing the material in the quantity and the highest quality required. On monetary terms, costs associated with process development and related analytical methodologies could be commensurate with those devoted to discovery (Phillips McDougall, 2005). Factors other than manufacturing costs are becoming more and more important in the development of an agrochemical. Because pest control agents are applied to large areas, environmental considerations such as selective toxicity and degradation studies in the field have always been required for the registration of both the active ingredient and the formulation. But currently no formal registration requirements exist for the manufacturing process, which often involve hazardous or polluting auxiliary chemicals (reagents, solvents, etc.). Recently, the desire to develop processes with minimal environmental impact has been a main concern of managers and technologists in the chemical industry. It has become evident that process research and development should be integrated with the rest of agrochemical discovery regardless whether the material to be manufactured is a new chemical entity or a known product.

Green chemistry and engineering. Due to health and environmental reasons, chemical industry is gradually adopting the principles of the so-called green chemistry (Anastas and Kirchhoff, 2002; US EPA, 2007) for the innovative design and production of materials to prevent and reduce pollution. These principles (Table 1) should be applicable not only to the pesticidally active ingredient but also to the development of environment friendly formulation types.

Similarly, the principles of green engineering, which is engineering for sustainability, extend to environmental, economic, and social factors thus move beyond baseline engineering quality and safety issues (Anastas and Zimmerman, 2003).

Actually, many of the above principles had already dominated pesticide chemistry well before the early 1990s, when the term green chemistry was coined. New types of selective pest control agents had been developed and adopted in pest control 10-15 years earlier. For example, originating from chemical and insect physiology research carried out in the 1970s, pyrethroids and juvenoids started to replace several toxic organophosphate and carbamate insecticides. Likewise, sulfonylureas used at application

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rates typically below 100 g/ha appeared in weed control and gradually replaced persistent herbicides. In general, the application rates, persistence and non-target toxicity of pest control agents commercialized from the 1980s are much lower than of those developed earlier. Clearly, scientific and technological advances as well as market changes and stricter regulations drive research and development hand in hand.

Biotechnology for large-scale production of agrochemicals. The application of biotechnology should not be restricted to the creation of transgenic crops. It can also be used in the production of agriculturally relevant, structurally complex compounds for which chemical synthesis cannot be an option (Straathof et al., 2002). A few substances, such as pyrethrins and azadirachtin, are still obtained by extraction from plants. In these cases tissue culture could be an alternative production method. Microbial fermentation provides now several important agrochemicals, including the insecticidal/parasiticidal avermectins, the fungicides kasugamycin and validamycin, the plant growth regulatory brassinosteroids and gibberellins. But even small molecular weight products, such as ethanol to be used as biofuel, can be economically obtained on a large scale by biotransformation of cheap renewable starting materials, such as plant cellulose. Furthermore, specific biochemical transformations can be carried out under mild conditions thus allowing the otherwise difficult introduction of functionalities into complex and sensitive compounds.

It is certainly the genetic manipulation of microorganisms that will have a major impact on the industrial production of agrochemicals. Due to their metabolic flexibility as well as the relative ease by which their enzyme apparatus can now be altered by genetic

engineering, microorganisms will be more widely applied for the production of pest control agents.

Summary

The history of modern pesticide chemistry extends over just two generations when measured in human lifespan. During this period, however, several generations of pesticide types have been developed of which some have already been abandoned but many retained their importance. In the coming decade, the phase out and substitution of hazardous chemicals will continue. New biology-based transformation methods linking chemical production to biological processes will emerge. Chemical and biological innovations will take place in an economic era when there is no virtual growth in sales of chemical crop protection products. While combinatorial chemistry, high-throughput and virtual screening technologies, and structure-based molecular design methods have greatly influenced agrochemical research during the past decade, they will certainly not replace but rather complement traditional research approaches and methods. The combination of traditional and automated chemical syntheses, biochemistry, metabolic engineering, and genomics offer exciting possibilities to create new (bio) chemical diversity in the quest for sustainable pest management.

Changing agricultural and societal demands have been reflected, and occasionally even generated, by changes in research and development. To provide customers with economically viable and safe crop protection and disease vector control agents, the agrochemical industry should continue to rely on innovation. Over the past four decades many novel chemical prototypes have emerged. Chemistry has played a crucial role in these developments either

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by finding and optimizing new structural prototypes or designing natural product analogues. For the foreseeable future, chemistry will remain an essential element of innovation, although other disciplines will complement it to ensure a healthy, disease-free environment and the continuous supply of our food and fiber, and perhaps energy.

Paradoxically, the impressive advances in pesticide research and the consequent productivity increase in agriculture do not seem to be appreciated by the general public. The pervasive “chemophobia” even questions the mere necessity of the use of chemical pest control agents, especially of those of synthetic origin in spite of the fact that these have been amongst the most thoroughly investigated, thus “transparent” substances. Considering recent advances in our understanding of the selectivity at the molecular level, and the possibilities offered by genomics, proteinomics, and structure-based methods of compound design, it is irrational to say that the time for chemicals in agriculture is over. The present constrains in the research and discovery of new chemical pest control agents are not scientific but rather economic and, to a certain extent, political/social. One could not but agree with the recent statement made by Gro Harlem Brundtland (Brundtland 1997), former director-general of the WHO: “Politics that disregard science and knowledge will not stand the test of time. Indeed, there is no other basis for sound political decisions than the best available scientific evidence. This is especially true in the fields of resource management and environmental protection.”

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CAPÍTULO 4

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SECCIÓN I


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Capítulo 5

A.N. HERNÁNDEZ-LAUZARDO, S. BAUTISTA-BAÑOS y M.G. VELÁZQUEZ-DEL VALLE. Instituto Politécnico Nacional, Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, Yautepec, Morelos, México.

Resumen

Las enfermedades postcosecha han sido controladas eficazmente mediante el empleo de fungicidas químicos sintéticos. Sin embargo, recientemente se han observado diferentes efectos nocivos, aspecto que ha propiciado la evaluación de diferentes alternativas naturales para controlar los patógenos postcosecha. Se han evaluado diferentes opciones entre las que se encuentran el empleo de microorganismos antagonistas, los extractos vegetales y compuestos naturales como el quitosano. Las tres opciones mencionadas en este capítulo han presentado resultados satisfactorios y prometedores; no obstante, no

Prospectiva del Empleo de Alternativas Naturales Para Controlar Enfermedades Postcosecha

Prospective for the Employment of Natural Alternatives to Control Postharvest Diseases

logran suplir por sí solas los efectos de los fungicidas sintéticos. Diversas investigaciones han sido realizadas combinando estas alternativas entre sí y a su vez con químicos sintéticos. Es necesario continuar desarrollando estudios más profundos que permitan esclarecer el modo de acción de los mismos y hacer más eficiente su uso. El empleo de alternativas naturales contribuye a minimizar el uso de los químicos sintéticos y a reducir su efecto nocivo y residual. Es importante considerar la integración de las mismas dentro de las prácticas de manejo de la tecnología postcosecha.

Abstract

Postharvest diseases have been controlled effectively through the use of synthetic chemical fungicides. Nevertheless, recently different injurious effects have been observed which has led to the evaluation of different natural alternatives to control postharvest pathogens. Different options have been evaluated such as the use of antagonistic microorganisms, plant extracts and natural compounds like chitosan. The three mentioned options in this chapter have shown satisfactory and promising results; however, they can not replace synthetic fungicides. Diverse investigations have been made combining these alternatives with each other as well with synthetic chemicals. It is necessary to continue in depth studies than can allow clarification of their mode of action and how to make their use more

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efficient. The use of natural alternatives contributes to reduce the use of synthetic chemicals and to diminish their injurious and residual effect. It is important to consider the integration of these natural alternatives as a part of the practice of postharvest technology.

Introducción

Las frutas y hortalizas son muy importantes debido a la gran cantidad de vitaminas y minerales que aportan. Actualmente, incrementar la producción de frutas y hortalizas es una prioridad mundial. Si consideramos los altos contenidos de nutrientes y agua que presentan los productos hortofrutícolas, estos poseen las condiciones adecuadas para que se desarrollen microorganismos que causan serios problemas de pudriciones, destacándose los hongos fitopatógenos. Conociendo los beneficios que brindan para la salud humana el consumo de frutas y hortalizas, es crucial que las mismas lleguen en un estado saludable al consumidor. Durante muchos años, el control de las enfermedades postcosecha se ha estado realizando mediante el uso de fungicidas químicos sintéticos, que se han caracterizado por su eficacia y rapidez en controlar los patógenos postcosecha. No obstante, se ha encontrado que diversos fitopatógenos han desarrollado resistencia frente a los mismos (Föster et al., 2007).

Por otra parte, diversos estudios ponen en evidencia y han generado una preocupación general con relación a los efectos nocivos que tienen los químicos sintéticos contra la salud humana y los daños que han provocado al medio ambiente. Esta situación ha inducido a que diversos científicos en el mundo encaminen sus investigaciones hacia la búsqueda de alternativas naturales para controlar los patógenos postcosecha, en sustitución o en combinación con el empleo de los fungicidas sintéticos que

tradicionalmente se han estado utilizando. Se han valorado diferentes opciones entre las que se encuentran el empleo de microorganismos antagonistas, los extractos vegetales y compuestos naturales como el quitosano. Estas opciones tienen como factor común lograr el control eficiente de los patógenos postcosecha basados en la actividad antifúngica de los productos empleados (Tripathi y Dubey, 2004; Janisiewicz y Korsten, 2002), adicionalmente en algunos casos se ha encontrado que activan los mecanismos de defensa de los frutos (Terry y Joyce, 2004).

Los resultados obtenidos hasta el momento son satisfactorios pero es necesario continuar realizando investigaciones más profundas que aborden aspectos básicos y aplicados y valorar los beneficios que aportan el uso de productos biodegradables, no tóxicos y con buen potencial de control de los patógenos implicados.

Alternativas naturales para el control de las enfermedades postcosecha: Definiciones y potencial de empleo

Microorganismos antagonistas. Los microorga-nismos antagonistas (bacterias, levaduras y hongos) ejercen un efecto de control biológico sobre diferentes patógenos de interés y se han empleado para controlar diversas enfermedades en frutos y vegetales. La selección de estos se debe realizar considerando la capacidad que tienen para colonizar la superficie de los frutos y de persistir en ellos de manera efectiva, la habilidad para competir con los patógenos por los nutrientes y su capacidad de sobrevivir en diferentes condiciones ambientales (Wisniewski y Wilson, 1992). Es importante conocer y comprender el modo de acción de los antagonistas, aspectos que pueden permitir un desarrollo más seguro de los procesos de aplicación de los antagonistas y al mismo tiempo proporcionar una

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Biocontrol Enfermedades de Poscosecha

base para seleccionar nuevos antagonistas efectivos. Se han descrito fundamentalmente: la antibiosis, producción de enzimas líticas, parasitismo, inducción de resistencia y competencia por nutrientes y espacio. Cabe destacar que en general más de un mecanismo puede estar implicado en el efecto de biocontrol. Los microorganismos antagonistas han sido utilizados para controlar diversas enfermedades postcosecha, su eficiencia es variable y depende de muchos factores, entre ellos los mecanismos por los que actúan, el tiempo de aplicación con relación al patógeno y la naturaleza del cultivo por si mismo. Se han realizado algunos estudios in vitro y otros sobre la superficie del fruto, las levaduras resultan ser más utilizadas que las bacterias para controlar las enfermedades postcosecha y en menor grado los hongos (Hernández-Lauzardo et al., 2007a).

Existen diferentes alternativas para controlar las enfermedades postcosecha causadas por hongos fitopatógenos en frutas y vegetales, sin embargo, se conoce que ninguna de ellas por si sola, logra suplir los efectos que se obtienen cuando se aplican fungicidas sintéticos, se han desarrollado técnicas complementarias capaces de mejorar la efectividad de métodos alternativos, es importante considerar las prácticas de manejo para evitar los daños físicos y mecánicos y garantizar óptimas condiciones de almacenamiento (Mari y Guizzardi, 1998).

Tendencias recientes para el empleo de microorganismos antagonistas en el control de las enfermedad es postcosecha. El empleo de microorga-nismos antagonistas se ha sustentado en la aplicación por si sola o combinada con fungicidas sintéticos y otras alternativas naturales. Además, es importante considerar su integración dentro de las prácticas de manejo de la tecnología postcosecha. En este sentido, se han desarrollado

diversos estudios para conocer la eficiencia del efecto de control biológico, se ha evaluado la combinación de antagonistas con sideróforos para el control del moho gris en manzanas, resultando más eficiente esta combinación y reduciendo en un 72 % la severidad de la pudrición (Sansone et al., 2005).

La aplicación de rizobacterias con quitina desde la precosecha redujo significativamente la pudrición (Vivekananthan et al., 2004). El empleo de Crytococcus laurentii y Trichosporon pullulans con bicarbonato de sodio al 2 % causó reducciones en las pudriciones en pera (Penicillium expansum y Alternaria alternata) (Yao et al., 2004). El uso de diferentes aditivos (acibenzolar-S-methyl, etanol, bicarbonato de sodio) se ha desarrollado exitosamente en la mayoría de las investigaciones realizadas (Spadaro et al., 2004; Janisiewicz et al., 2005).Otros autores proponen la aplicación conjunta de cepas de Pseudomonas syringae con fungicidas (ciprodinil) para controlar el moho azul en manzanas resistentes al tiabendazol (Errampalli y Brubacher, 2006). También se encontró que es factible incorporar al antagonista Bacillus licheniformis combinado con fungicidas para controlar la antracnosis y las pudriciones pediculares en mango, en condiciones semicontroladas (Govender et al., 2005). Por otra parte, se ha propuesto la combinación de antagonistas con tratamientos de agua caliente para controlar las pudriciones causadas por Rhizopus stolonifer en fresas (Zhang et al., 2007a). Al respecto, otras investigaciones necesitan desarrollarse y de esta forma poder contribuir a incrementar de forma significativa el empleo de estos productos que pueden utilizarse para controlar las enfermedades postcosecha sin riesgos potenciales.

Extractos vegetales. Las plantas sintetizan una gran variedad de metabolitos secundarios para defenderse

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del ataque de patógenos y depredadores (Hopkins, 1999). La obtención de extractos vegetales conteniendo estos metabolitos se ha realizado en agua o en otros disolventes dependiendo de su polaridad y en forma de polvos (Bautista-Baños et al., 2002a; Stange et al., 2001; Abou-Jawdah et al., 2002; Bautista-Baños et al., 2003a). Su actividad antimicrobiana ha sido relacionada con la actividad biológica de los mismos. Si consideramos que los compuestos obtenidos de las plantas en su mayoría son biodegrables e inocuos y que en México se encuentran aproximadamente el 10% de las especies de plantas superiores del mundo y más del 50% de ellas son habitantes exclusivas de nuestro país (CONABIO, 2006), resulta muy interesante explorar el potencial de empleo de los extractos vegetales para controlar las enfermedades postcosecha.

Diversos productos obtenidos de las plantas presentan carácter antimicrobiano, dentro de los principales compuestos derivados de las mismas, destacan los flavonoides, fenoles, terpenos y aceites esenciales, alcaloides y lectinas y polipéptidos. Se conoce que los mecanismos a través de los cuales estos compuestos actúan son variables, por ejemplo, la inhibición enzimática (fenoles), probable rompimiento de la membrana través de compuestos lipofílicos (terpenos y aceites esenciales), intercalación con el DNA (alcaloides) y por último se conoce que pueden formar canales iónicos en la membrana microbiana o causar inhibición competitiva por la adhesión de proteínas microbianas a los receptores (polisacáridos) del hospedero (lectinas y polipéptidos) (Cowan, 1999). Sus propiedades fungistáticas o fungicidas varían de acuerdo a la época del año y al órgano de la planta empleado (semilla, raíz, hojas, etc.) (Bautista y Barrera, 2001).

Es importante desarrollar investigaciones que permitan el aislamiento de diferentes compuestos activos

presentes en las plantas y valorar de forma individual el potencial que tienen los mismos al ser empleados en el control de diferentes patógenos, los análisis deben tener dos enfoques primordiales, el efecto directo sobre el patógeno y el que causan sobre los vegetales estudiados (Hernández-Lauzardo et al., 2007b). Por otra parte, se debe considerar el aprovechamiento controlado de las plantas sin afectar los ecosistemas (Lira-Saldívar, 2003). Se dispone de un amplio número de especies vegetales con potencial antimicrobiano, las investigaciones desarrolladas son escasas y los resultados obtenidos en algunos casos son promisorios para controlar diversas enfermedades postcosecha.

Tendencias recientes para el empleo de extractos vegetales en el control de las enfermedades postcosecha. Son escasos los estudios realizados considerando esta alternativa para controlar las enfermedades postcosecha e incluso son estudios poco profundos donde se necesita ahondar más en los cambios anatómicos, morfológicos y bioquímicos que causan los compuestos activos presentes en los mismos, sobre el patógeno y el hospedero. Recientemente, se ha comenzado a evaluar (in vitro) la actividad antifúngica de compuestos activos aislados de diferentes extractos. A partir de Cestrum nocturnum (huele de noche), se obtuvieron 16 compuestos acetónicos y dos acuosos, que inhibieron la germinación de las esporas de Fusarium spp. provenientes de papaya y ciruela (Portillo-Herrera et al., 2005). Asimismo, estudios in vitro realizados con polvos y extractos de guamúchil, mostraron inhibición (50 - 78 %) del crecimiento micelial en B. cinerea, dependiendo del órgano de la planta y de la época de cosecha (Bautista-Baños et al., 2003a); análisis preliminares realizados por resonancia magnética nuclear evidenciaron la presencia de un triacil glicerol en la fracción más activa de estos extractos (Barrera-Necha et

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al., 2002).

Por otra parte, se ha evaluado el efecto in vitro e in vivo de diferentes compuestos volátiles (aldehídos, fenoles y cetonas) obteniéndose resultados variables que incluyen desde la inhibición de la germinación y el crecimiento micelial hasta el control in vivo del moho azul en peras (Neri et al., 2006a). Debe destacarse, que una opción interesante es la combinación de extractos vegetales con compuestos naturales como el quitosano que tienen una acción antifúngica evidente sobre diferentes patógenos de interés, algunos estudios han tenido éxito en propiciar el efecto antifúngico de los extractos vegetales cuando son mezclados con este importante biopolímero (Bautista-Baños et al., 2003b).

Quitosano. La quitina desacetilada se conoce como quitosano, polímero constituido fundamentalmente por unidades de glucosamina (2-amino-2-desoxi-D-glucosa) con uniones _ (1-4). Este compuesto natural, biodegradable y no tóxico presenta cargas positivas que le confieren propiedades biológicas y fisiológicas únicas (Sandford, 1989). El quitosano tiene un gran potencial industrial, destacándose su empleo en la cosmetología, industria alimentaria y la agricultura, entre otras. Su capacidad de extender la vida media de frutas y vegetales ha sido demostrada (Hernández-Muñoz et al., 2006; Chien et al., 2007a,b). La actividad antifúngica del quitosano se ha comprobado en diferentes especies de hongos, afectando fundamentalmente el crecimiento micelial, la esporulación, la germinación y la morfología de las hifas y esporas (El Ghaouth et al., 1992 a,b).

Se ha evaluado el efecto de inducción de resistencia producido por este biopolímero natural como respuesta a la infección fúngica durante el almacenamiento de los

productos, obteniéndose resultados alentadores relacionados con la reducción de la maceración celular y la producción de hidrolasas antifúngicas que actúan directamente sobre la pared celular del patógeno (Arlorio et al., 1992). Los mecanismos por los cuales se presenta el efecto antifúngico del quitosano no han sido del todo dilucidados; sin embargo, existen algunas hipótesis fundamentales (a nivel cromosómico, membrana plasmática y actividad de la quitina desacetilasa) (Hadwiger y Loschke, 1981, Leuba y Stossel, 1986 y El Ghaouth et al., 1992c).

A pesar de que los estudios realizados en este sentido, son atribuidos por los autores a diferentes causas (concentración, polimerización, acetilación, tiempo de incubación, etc.) existe un factor común alrededor del cual versan diferentes explicaciones, la naturaleza policatiónica de la molécula de quitosano (Hernández-Lauzardo et al., 2005). Aún cuando el quitosano y sus derivados han sido considerados como biopolímeros versátiles en aplicaciones agrícolas, su potencial como compuesto antimicrobiano necesita ser estudiado a profundidad (Rabea et al., 2003).

Tendencias recientes para el empleo del quitosano en el control de las enfermedades postcosecha. El quitosano se ha aplicado a los frutos de forma individual o combinado con extractos vegetales, antagonistas microbianos, tratamientos hipobáricos, etanol, etc., de forma general se ha observado un efecto sinérgico, no obstante, en algunos casos los resultados obtenidos no han superado los efectos del uso del quitosano de manera individual.

La aplicación de quitosano combinado con tratamientos hipobáricos para controlar la pudrición de cerezas dulces causada por diferentes fitopatógenos, evidenció un efecto sinérgico en la reducción de la

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pudrición (Romanazzi et al., 2003). En contraste, la aplicación combinada de quitosano con etanol contribuyó a mejorar el control de la pudrición gris en uvas (Romanazzi et al., 2007). En este sentido, Bautista-Baños et al. (2006) han realizado una recapitulación acerca de las ventajas del empleo del quitosano en el control de las enfermedades postcosecha.

Estado actual y perspectiva del control de las enfermedades postcosecha

Estado actual. Los fungicidas químicos sintéticos han sido empleados durante mucho tiempo para controlar de forma efectiva las enfermedades postcosecha, se ha comprobado su eficacia y certeza sobre diferentes pudriciones en frutos y vegetales. Sin embargo, últimamente se han realizado diversos estudios que demuestran el efecto residual y nocivo del empleo de estos productos químicos. Ante esta preocupación generalizada, se ha incursionado en la búsqueda de nuevos fungicidas sintéticos que no sean nocivos para la salud humana y que no causen problemas de contaminación al medio ambiente. De igual forma, diversos grupos de investigación han encaminado sus estudios hacia la valoración de diferentes compuestos naturales, no tóxicos y biodegradables que puedan emplearse para controlar los patógenos, la disyuntiva ha sido que ninguna de las estrategias empleadas hasta el momento, logra por sí sola suplir la eficacia de los químicos sintéticos. Para tales efectos las regulaciones acerca del uso de los pesticidas se han incrementado y en los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA por sus siglas en inglés, Environmental Protection Agency) ha desplegado medidas más estrictas para registrar y permitir el uso de los mismos bajo la autoridad de la Ley Federal sobre Insecticidas, Fungicidas y Rodenticidas y la Ley Federal para Alimentos, Drogas y Cosméticos. Actualmente en los Estados Unidos

existen más de 17, 000 productos pesticidas registrados.

El 76% de estos se utilizan en la industria agrícola (EPA, 2007). La EPA los clasifica en pesticidas químicos (sustancias químicas sintéticas) y biopesticidas (sustancias derivadas de materiales naturales como animales, plantas, bacterias y ciertos minerales), estos últimos se dividen en tres clases: microbianos, bioquímicos y plantas con protección incorporada. A la fecha, se tienen registrados más de 500 ingredientes activos de naturaleza química sintética y más de 200 compuestos activos de biopesticidas, de los cuales 54 son de origen microbiano y pueden ser consultados en la página Web respectiva (EPA, 2007). Por otra parte, en nuestro país la Comisión Intersecretarial para el Control del Proceso y Uso de Plaguicidas y Sustancias Tóxicas (CICOPLAFEST) es la instancia encargada del registro y control de los pesticidas que se emplean en México. Sus acciones se apoyan en la Ley General de Salud como un instrumento básico en la materia, incluye a la Ley Federal de Sanidad Vegetal para el manejo adecuado de plaguicidas y fertilizantes en la agricultura y medidas fitosanitarias; así mismo, incorpora criterios contenidos en la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente (SAGARPA, 2007).

De acuerdo a datos de la CICOPLAFEST, se tienen registrados 125 pesticidas y de ellos 13 son de origen microbiano, los cuales pueden consultarse en la página Web que existe para estos fines (SAGARPA, 2007). El empleo de productos químicos sintéticos o de origen biológico, para controlar enfermedades postcosecha, debe cumplir con las regulaciones que existen para tal efecto, y debe ser consultado y analizado de acuerdo a las instancias que mencionamos anteriormente.

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Es muy importante tener en cuenta que dentro del Tratado de Libre Comercio de Canadá, Estados Unidos y México, existe un grupo de trabajo que se enfoca al uso de plaguicidas, teniendo como objetivo promover un mercado de plaguicidas para América del Norte, el cual podría estar operando en el año 2008. Se considera que dentro de ese mercado regional, tendrá prioridad el manejo integrado de plagas que aproveche los recursos y tecnologías disponibles en cada país incluyendo el desarrollo de productos de menor riesgo y de bioplaguicidas (COFEPRIS, 2007).

Perspectivas. Teniendo en cuenta la revisión y el análisis de la literatura que hemos realizado hasta el momento, reflexionamos al respecto con relación al uso de químicos sintéticos que han causado efectos nocivos a lo largo de varios años, con el afán de controlar patógenos de interés agrícola. Es necesario continuar desarrollando estudios con alternativas de origen natural que puedan emplearse para controlar las enfermedades, sin causar riesgos a su entorno, los antagonistas microbianos tienen gran potencial de empleo, se ha comprobado que el uso de los mismos ha sido eficiente en el control de patógenos que afectan diferentes frutos. Sin embargo, con relación a sus mecanismos de acción se deben abordar estudios básicos a nivel bioquímico y molecular que contribuyan a dilucidar efectos tales como la antibiosis y la competencia por los nutrientes con el objeto de mejorar la efectividad de los mismos.

Por otra parte, los extractos vegetales evaluados hasta el momento son escasos, si consideramos la gran diversidad vegetal que existe en el mundo y los estudios previos que evidencian el potencial antimicrobiano de los polvos y extractos obtenidos de las plantas. En este sentido, es importante continuar desarrollando investigaciones que permitan conocer los compuestos activos causantes del

efecto antifúngico y posteriormente contribuir a dilucidar su efecto biológico y las posibilidades de su empleo, la riqueza vegetal de que disponemos debe ser utilizada, máxime si tenemos en cuenta la naturaleza biodegradable y no tóxica de sus compuestos. Asimismo, con relación al empleo de otros compuestos naturales como es el caso del quitosano, debemos aprovechar las ventajas de su inocuidad que han sido demostradas hasta el momento y su capacidad de inducir resistencia en los frutos y de causar un efecto antifúngico directo sobre diversos patógenos de interés.

Los estudios de índole bioquímica y molecular deben continuarse realizando y de esta forma poder contribuir a dilucidar los efectos que causan y proponer mejores estrategias de aplicación de este compuestos natural. En resumen, de forma adicional a los estudios e investigaciones básicos que deben continuar desarrollándose de manera individual con las alternativas propuestas, se debe analizar el efecto que causa la combinación de las mismas entre sí y a su vez con diversos químicos sintéticos. Se conoce que por sí sola ninguna de estas alternativas logra superar la efectividad del empleo de los productos sintéticos, sin embargo, sería interesante combinarlas con ellos y disminuir las dosis de empleo de los mismos con lo cual estamos contribuyendo a minimizar el uso de los químicos sintéticos y su efecto nocivo y residual. Es importante que los estudios a desarrollarse comprendan un enfoque multidisciplinario, diferentes especialistas deben unir sus esfuerzos y aportar al conocimiento de los procesos de competencia de su área de estudio.De forma integral, se debe considerar la protección de los productos agrícolas sin dañar al ambiente y a la salud humana, aspectos fundamentales en el desarrollo sustentable de los países que afrontan esta problemática.

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Conclusiones

La información existente con relación al control de las enfermedades postcosecha en productos agrícolas mediante el empleo de alternativas naturales, es aún elemental y escasa. Se considera que las enfermedades postcosecha se pueden controlar mediante el empleo de estas alternativas, las cuales pueden mostrar un efecto directo sobre el patógeno mediante su actividad antifúngica o indirecto a través de la activación de los mecanismos de defensa de los frutos. Deben abordarse otros estudios que abarquen aspectos bioquímicos y moleculares de la relación hospedero-patógeno-alternativa de control, lo que permitirá profundizar en el conocimiento de los mecanismos involucrados. Se recomienda analizar el efecto sinérgico de la combinación de las alternativas naturales entre sí ó con otros compuestos químicos sintéticos. Las propuestas para controlar las enfermedades postcosecha deben realizarse reflexionando sobre los riesgos que implican para la salud humana y la seguridad del medio ambiente. Se vislumbra a futuro que el control de patógenos postcosecha estará enmarcado dentro de una tecnología de desarrollo sustentable.

Agradecimientos. A la Secretaría de Investigación y Postgrado del Instituto Politécnico Nacional, los autores son becarios COFAA, EDI y miembros del Sistema Nacional de Investigadores del CONACYT.

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CAPÍTULO 5

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SECCIÓN I


Capítulo 6

M. RAMOS-GARCÍA1, S. ORTEGA-CENTENO1, S. BAUTISTA-BAÑOS1, I. ALIA-TEJACAL2 Y D. GUILLÉN-SÁNCHEZ3 1Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, Instituto Politécnico Nacional. Yautepec, Morelos, México. 2Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Cuernavaca, Morelos, México, 3Campus Oriente, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Xalostoc, Morelos, México.

Resumen

La papaya (Carica papaya L.) es un fruto de gran importancia comercial, sin embargo, una de las limitantes para prolongar su vida de anaquel, es la presencia de enfermedades poscosecha causadas principalmente por hongos. El control de estas enfermedades nos lleva a estudiar alternativas biodegradables mediante la utilización de extractos vegetales. A partir de las evidencias del

Actividad Fungicida de Extractos de Cestrum nocturnum L. y su Efecto en la Calidad Poscosecha de Frutos de Papaya (Carica papaya L.)

Fungicidal Activity of Cestrum nocturnum L. Extracts and Their Effect on Postharvest Quality of Papaya (Carica papaya L.) Fruits

efecto fungicida de las hojas de Cestrum nocturnum L., se llevaron a cabo dos experimentos: 1) papaya cosechada en el periodo de escasa o intensa precipitación y 2) papaya inoculada artificialmente con Fusarium spp o Rhizopus stolonifer. En ambos, los tratamientos fueron: 1) agua, 2) fungicida Mirage® (0.5 mL) (Pochloraz), 3) dispersante Breakthru® (0.4 mL), 4) extracto acuoso de C. nocturnum 0.5% y 5) extracto acuosos 1.5%, 6) extracto acetónico 0.5% y, 7) extracto acetónico 1.5%. Las temperaturas de almacenamiento fueron 14 ± 1°C y 28 ± 2ºC. El periodo de cosecha, temperatura de almacenamiento, extractos aplicados y concentración y tipo de inóculo influyeron al término del almacenamiento en firmeza, SST, color y pérdida de peso. No se observan diferencias significativas entre las interacciones evaluadas. En frutos cosechados en el periodo de intensa precipitación, tratados con extractos acuosos y acetónicos, el porcentaje de infección fue menor (0-6%), mientras que frutos inoculados con Fusarium, tratados con extracto acetónico al 1.5%, presentaron un 7% de infección. Los géneros aislados e identificados fueron Fusarium, Alternaria, Mucor, Aspergillus y Rhizopus, siendo éste último el identificado con mayor frecuencia (hasta en un 50%).

Abstract

Papaya (Carica papaya L.) is an important marketable fruit; however the presence of postharvest

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diseases caused predominantly by fungi considerably reduces its storage life. This study deals with biodegradable alternatives to control diseases by using plant extracts. From evidence of the fungicidal effect of leaves of Cestrum nocturnum L. two experiments were carried out: 1) papaya harvested during a period of scarce but intense precipitation and, 2) papaya artificially inoculated with Fusarium spp or Rhizopus stolonifer. For both experiments treatments were: 1) water, 2) fungicide Mirage® (0.5 mL), 3) surfactant Break thru® (0.4 mL), 4) aqueous extracts of C. nocturnum at 0.5 %, 5) and 1.5 %, 6) acetonic extract at 0.5 % and, 7) 1.5 %. Storage temperatures were 14 ± 1 °C and 28 ± 2 ºC. Harvest period, storage temperature, extract applied, extract concentration, and inoculum influenced firmness, SST content, color and weight loss at the end of the storage period. No significant differences were observed between interactions. Fruits harvested during the intense precipitation and treated with aqueous and acetonic extracts presented the lowest percentage infection (0-6%), while fruits inoculated by Fusarium and treated with acetonic extract, had infection of 7%. Isolated and identified genuses were Fusarium, Alternaria, Mucor, Aspergillus and Rhizopus; this last was the most frequently identified (up to 50%).

Introducción

La papaya es un fruto de gran importancia internacional, debido a su elevado contenido vitamínico, sin embargo, una de las limitantes para prolongar su vida de anaquel es la presencia de enfermedades poscosecha, ocasionadas principalmente por hongos como el Colletotrichum gloeosporioides (Penz.) Penz. and Sacc., Fusarium oxysporum Schlecht y Rhizopus stolonifer (Ehrenb.:Fr.) (Snowdon, 1991)). Pantastico (1975), reporta que, a nivel mundial, las pérdidas de

la fruta de papaya ocasionada por el ataque de hongos oscilan aproximadamente entre 8% y 12%. En México, carecemos de información acerca de los daños ocasionado por cada microorganismo en especifico, sin embargo, se ha reportado que las pérdidas poscosecha en dicha fruta, alcanzan aproximadamente un 33% de la producción total, de las cuales, las enfermedades contribuyen con un 24% (Bautista y Barrera, 2001). En el caso de la pudrición suave causada por R. stolonifer en papaya, Capellini et al. (1988) reportan que los daños ocasionados por este hongo alcanzan un 35%. Cabe señalar que la incidencia de enfermedades infecciosas, aumenta considerablemente durante el periodo de lluvias, ya que las condiciones altas de humedad favorecen el desarrollo de microorganismos patógenos (Agrios, 1999).

En este sentido, el control de enfermedades poscosecha ha sido llevado a cabo principalmente a través de fungicidas, sin embargo, su uso excesivo ha generado problemas de resistencia, daños a la salud del hombre y severa contaminación del medio ambiente, por lo que se plantea el desarrollo y la aplicación de otras fuentes de control, como las de origen botánico (Bautista-Baños et al., 2003a).

Observamos así, que en México, el género Cestrum, que se encuentra distribuido en los estados de Guerrero, Jalisco y Oaxaca (Rwedowsky, 1983), y ofrece propiedades medicinales, reportadas ampliamente por Martínez (1994), y Buznego et al. (1997); mientras que Grainge y Ahmed (1988) por su parte, clasificaron a la C. nocturnum (huele de noche) dentro del grupo de plantas con actividad antifúngica, mencionando que dicha actividad se centra en las hojas. Por su parte, Bravo et al. (2000) reportan que de 97 especies botánicas, C. nocturnum sobresalió por su efecto fungicida en comparación con F. moniliforme. De igual

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manera, en el Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI) se ha confirmado la actividad fungicida de esta planta en C. gloeosporioides, R. stolonifer, y dos cepas de Fusarium aisladas de papaya y ciruela mexicana (Spondias purpurea L.) (datos por publicar). El presente estudio evalúa el efecto fungicida de extractos acuosos y acetónicos de hojas de C. nocturnum en el desarrollo de hongos poscosecha en frutos de papaya, inoculados, o no, con Fusarium y R. stolonifer, y almacenados a temperatura controlada y ambiente; determinando asimismo el efecto de los tratamientos en algunos aspectos de calidad de la fruta tratada.

Materiales y Métodos

Obtención de material vegetativo. En el CEPROBI en Yautepec, Morelos, fueron recolectadas hojas de Cestrum nocturnum, libres de daños mecánicos, síntomas de enfermedad e insectos plaga. El corte de las hojas fue realizado de manera manual, depositándose en bolsas de plástico con perforaciones, y manteniéndose bajo congelación a -5°C para su utilización un día después de la recolección. Las hojas fueron lavadas con agua corriente, y colocadas sobre una bandeja con papel secante a temperatura ambiente por espacio de 2 hrs. Una vez secas, se procedió al corte de hojas y su colocación en matraces.

Obtención de frutos. Los frutos de papaya, cuyo grado de madurez es posible observar cuando presentan un verde ligeramente veteado, y que fueron utilizados en el experimento, procedían de un huerto experimental de papaya cv Maradol roja, ubicado en el campo experimental del campus oriente de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (18°43ʼ01ʼ̓ Lat N, 98°54ʼ00ʼ̓ y 1250 msnm). Los frutos fueron cosechados entre las 8 y 12 h, y

transportados a los laboratorios del CEPROBI.

Extracto acuoso. En matraces Erlenmeyer (200 gL-1) con agua destilada fueron colocadas las hojas de Cestrum Nocturnum, permitiendo su reposo por 48 h; posteriormente fueron coladas a través de un paño, obteniendo únicamente el extracto, el cual fue vaciado en una liofilizadora (VIRTIS Mod. 2551) obteniendo así, el extracto solo. El polvo fue almacenado en frascos color ámbar, y ubicados en un lugar fresco y seco, para su uso posterior.

Extracto acetónico. Las hojas de Cestrum Nocturnum fueron depositadas en matraces Erlenmeyer conteniendo acetona, y permitiendo un reposo de 40 h. El extracto obtenido fue concentrado en un rotavapor, y depositado sobre charolas colocadas en una estufa (Fisher Mod. Precisión) a 100ºC eliminando de esta manera el disolvente. El material fue almacenado en frascos color ámbar.

Tratamientos. Los tratamientos aplicados a los frutos de papaya consistieron en: 1) agua, 2) fungicida Prohcloraz 40% p/v (Mirage), 3) dispersante Breakthru ® (0.4 mL), 4) extracto acuoso de C. nocturnum a 0.5%, 5) extracto acuoso a 1.5%, 6) extracto acetónico a 0.5% y, 7) extracto acetónico a 1.5%. Éstos fueron aplicados tanto a frutos no inoculados (primer experimento), como inoculado (segundo experimento). La cosecha de los frutos no inoculados, se llevó a cabo durante el periodo de escasa e intensa precipitación. En ambos experimentos la fruta fue almacenada a una temperatura controlada (14 ± 1ºC) y ambiente (28 ± 2ºC), hasta el surgimiento de la infección. La unidad experimental consistió en un fruto con cinco repeticiones para las variables de calidad, y de 20 frutos para las variables fitopatológicas. Cada experimento fue

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Actividad Fungicida de Extractos de Plantas

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repetido en dos ocasiones.

Aplicación de los tratamientos y almacenamiento del fruto. Después de la inoculación artificial de los frutos, éstos fueron lavados de manera rápida utilizando una solución de hipoclorito de sodio a 1%, y secados al medio ambiente por espacio de 2 h. Previamente a la utilización del inoculo, los frutos fueron picados con una aguja estéril y asperjados inmediatamente con una suspensión de esporas de 1x105 de Fusarium o Rhizopus. Los frutos permanecieron sumergidos en cada uno de los tratamientos durante 1 minuto permitiendo su secado a temperatura ambiente aproximadamente por 2 h. Finalmente los frutos se envolvieron con papel periódico, y depositados en contenedores de plástico para su almacenamiento.

Variables evaluadas al término del almacenamiento. En los frutos testigo tratados con extractos fueron evaluados los siguientes aspectos:

1) Firmeza. Se utilizó un penetrómetro digital (T.R. ITALY), cuyos valores promedio de firmeza fueron reportados en Newtons (N), tomadas sobre dos caras laterales en la parte ecuatorial del fruto.

2) Sólidos solubles totales (SST). En el mismo lugar, dónde se llevó a cabo la evaluación de firmeza, se llevó a cabo un corte de una sección de la pulpa, extrayéndose una gota del jugo y depositándose en un refractómetro (ATAGO, N–1 0- 32 %); posteriormente fueron llevadas cabo dos observaciones por fruto y promediadas.

3) Índice de color. fue determinado siguiendo la siguiente escala: a) 100 % verde, b) ligeramente veteado, c) 25%, d) 50% y e) 100% de la superficie del fruto anaranjada respectivamente.

4) Porcentaje de pérdida de peso. Este porcentaje fue determinado diariamente a partir de la siguiente formula: % de pérdida de peso = (peso inicial – peso final) / peso inicial X 100.

5) Índice de severidad. fue evaluada mediante la siguiente escala: a) 0%, b) 1- 25%, c): 26 – 50%, d) 51 – 75%, e) 76 – 100% de la superficie del fruto dañada.

6) Porcentaje de infección. fue calculado bajo la siguiente formula: % infección = número de frutos infectados x 100 / número de frutos tratados.

Aislamiento, purificación e identificación de hongos. Se procedió a la obtención de cepas puras de Fusarium y Rhizopus. Una vez manifestados los signos del hongo en los frutos de papaya, fueron extraídas dos porciones pequeñas de micelio y sembradas en cajas con medio nutritivo agar papa dextrosa (PDA). Las cajas fueron incubadas a 27ºC, dando lugar a la formación de cuerpos fructíferos y conidios. A continuación se extrajo nuevamente micelio del medio de cultivo, y se sembró una vez más en cajas Petra con PDA, para la obtención de cepa pura. La identificación se llevó a cabo utilizando las claves y figuras descritas por Barnett y Hunter (1978) y Snowdon (1991).

Análisis estadístico. El diseño experimental se llevó a cabo con un arreglo factorial (2x2x7). Para el análisis de varianza y la comparación de medias (Diferencia mínima significativa P ≤ 0.05), se utilizó un paquete estadístico SAS versión 8.0. El porcentaje de infección fue analizado mediante una X2.

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Figura 1. Porcentaje de perdida de peso de frutos de papaya cv. Maradol roja durante el almacenamiento a 14 ºC y 28 ºC, cosechados durante el periodo de escasa e intensa precipitación y tratados con extractos de Cestrum nocturnum.


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Resultados y Discusión

En general, en ambos experimentos fueron observadas diferencias estadísticas (P ≤ 0.05) en la mayoría de las variables, mientras que ninguna de las interacciones evaluadas presentó diferencias estadísticas (ns). En relación a la variable “firmeza”, no se observó un patrón definido en la pérdida de ésta, de acuerdo a la fuente de variación aplicada. Sin embargo, la diferencia en los valores de firmeza entre, los frutos de papaya no inoculados (época seca y húmeda) en comparación con los inoculados (50%), puede relacionarse con la actividad del inóculo sobre la superficie de éste. Se sabe, que la mayoría de los hongos fitopatógenos ejercen una actividad macerante en el hospedero. En el caso de R. stolonifer, Agrios (1999) y Barkai (2001), reportan la producción de enzimas pectinolíticas, como la poligalacturonasa, en una cantidad 20 veces mayor durante el proceso de infección en comparación con otros hongos. Asimismo los mismos autores reportan que el género Fusarium, y sus diferentes especies como F. oxysporum y F. solani producen una gran cantidad de la enzima endopoligalacturonasa, contribuyendo así a una rápida colonización y penetración en el hospedero (García et al., 2001). Igualmente, en esta investigación, fue observado que el índice de severidad mayor (26 al 50% del fruto dañado) correspondió a aquellos frutos de papaya que fueron inoculados, en comparación con los no inoculados. Dichos datos confirman la actividad de maceración de los hongos inoculados.

En relación al contenido de SST, fueron observadas diferencias significativas entre los tratamientos con extractos, sin embargo, el porcentaje de variación entre ellos fue menor al 3%. Por otro lado, es importante señalar que los valores de SST obtenidos en este estudio (10 a 12%) se encuentran dentro de los valores aceptables de

consumo para esta fruta (8-12%), y reportados por Kader (1992). Cabe señalar, que en ninguno de los tratamientos de ambos experimentos fue observado un desarrollo de color del 100% en la superficie del fruto (índice = 5).

La fruta cosechada durante el periodo seco y húmedo, presentó al final del almacenamiento un índice de color de 3.2 a 4.5, mientras que en la fruta inoculada la variación fue de 3.8 a 4.4. Una práctica común entre los comercializadores de esta fruta es la aplicación de carbonato de calcio durante el almacenamiento de la papaya, práctica que no se llevó a cabo durante la ejecución de nuestros experimentos. De acuerdo a Hardenburg et al. (1988) la aplicación de este compuesto sirve principalmente para uniformizar la maduración de los frutos y por lo tanto su coloración. El potencial funguicida de los extractos de C. nocturnum (Cuadros 1 y 2) en el control de hongos poscosecha, resalta principalmente en el experimento donde la papaya no fue inoculada, pero fue tratada con los extractos acuosos y acetónicos con concentraciones de 0.5 y 1.5% (porcentaje de infección entre 0-6%). De esta manera se confirma la actividad fungicida de los extractos de C. nocturnum, la cual fue demostrada previamente en estudios in vitro, en Fusarium spp, R. stolonifer y F. moniliforme.

A la fecha no ha sido reportada la composición química de los compuestos de C. nocturnum que confieren la actividad fungicida. Sin embargo, Uddin et al. (1991) y Mimaki et al. (2002) también llevaron a cabo estudios con hojas de C. nocturnum, identificando saponinas esteroidales como nocturnosidae, espirostanol, furostanol, seudofurostanol, dos glucósidos pregnano, dos glucósidos colestanos y un glucósido ácido carboxil-y-lactona pregnano.

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Figura 2. Porcentaje de pérdida de peso de frutos de papaya cv. Maradol roja durante el almacenamiento a 14 ºC y 28 ºC, inoculados con Fusarium y Rhizopus stolonifer y tratados con extractos de Cestrum nocturnum.


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Cuadro 1. Porcentaje de infección en frutos de papaya cv. Maradol roja, cosechados en periodo de escasa e intensa precipitación, tratados con extractos de Cestrum nocturnum y almacenados a 14 °C y 28 °C.

79

El potencial funguicida de los extractos de C. nocturnum (Cuadros 1 y 2) en el control

de hongos poscosecha, resalta principalmente en el experimento donde la papaya no fue

inoculada, pero fue tratada con los extractos acuosos y acetónicos con concentraciones de 0.5

y 1.5% (porcentaje de infección entre 0-6%). De esta manera se confirma la actividad

fungicida de los extractos de C. nocturnum, la cual fue demostrada previamente en estudios in

vitro, en Fusarium spp, R. stolonifer y F. moniliforme.

Cuadro 1. Porcentaje de infección en frutos de papaya cv. Maradol roja, cosechados en

periodo de escasa e intensa precipitación, tratados con extractos de Cestrum nocturnum y

almacenados a 14 °C y 28 °C.

Periodo de escasa precipitación Periodo de intensa precipitación

Tratamientos

14 °Ca***

28 °Cb***

14 °Cc***

28 °Cd***

Agua 75 25 46 26

Fungicida Mirage® 25 25 0 0

Dispersante 100 16 40 41

Extractos de C.

nocturnum:

Acuoso 0.5 % 66 33 33 0

Acuoso 1.5 % 66 8 46 6

Acetónico 0.5 % 75 25 20 6

Acetónico 1.5 % 75 25 20 0

*** = Significativo al nivel de probabilidad 0.001; período de almacenamiento: a

16, b

7, c

11,

d

6 días; promedio de 20 frutos por tratamiento.

A la fecha no ha sido reportada la composición química de los compuestos de C.

nocturnum que confieren la actividad fungicida. Sin embargo, Uddin et al. (1991) y Mimaki

et al. (2002) también llevaron a cabo estudios con hojas de C. nocturnum, identificando

saponinas esteroidales como nocturnosidae, espirostanol, furostanol, seudofurostanol, dos

glucósidos pregnano, dos glucósidos colestanos y un glucósido ácido carboxil-y-lactona

pregnano.

Cuadro 2. Infección (%) en frutos de papaya cv. Maradol roja, inoculadas con Fusarium o R.

stolonifer, tratadas con extractos de C. nocturnum y almacenadas a 14 ºC y 28 ºC.

Fusarium spp R. stolonifer

Tratamientos

14 ºCa***

28 ºCb***

14 ºCc***

28 ºCd***

Agua 53 80 73 40



Extractos de huele de

noche:

Acuoso 0.5% 80 47 60 87

Acuoso 1.5% 93 47 60 87

Acetónico 0.5% 73 33 87 73

Acetónico 1.5% 73 7 80 100


8, b

6, c

6, d

5

días; promedio de 20 frutos por tratamiento.

79

El potencial funguicida de los extractos de C. nocturnum (Cuadros 1 y 2) en el control

de hongos poscosecha, resalta principalmente en el experimento donde la papaya no fue

inoculada, pero fue tratada con los extractos acuosos y acetónicos con concentraciones de 0.5

y 1.5% (porcentaje de infección entre 0-6%). De esta manera se confirma la actividad

fungicida de los extractos de C. nocturnum, la cual fue demostrada previamente en estudios in

vitro, en Fusarium spp, R. stolonifer y F. moniliforme.

Cuadro 1. Porcentaje de infección en frutos de papaya cv. Maradol roja, cosechados en

periodo de escasa e intensa precipitación, tratados con extractos de Cestrum nocturnum y

almacenados a 14 °C y 28 °C.

Periodo de escasa precipitación Periodo de intensa precipitación

Tratamientos

14 °Ca***

28 °Cb***

14 °Cc***

28 °Cd***

Agua 75 25 46 26



Extractos de C.

nocturnum:

Acuoso 0.5 % 66 33 33 0

Acuoso 1.5 % 66 8 46 6

Acetónico 0.5 % 75 25 20 6

Acetónico 1.5 % 75 25 20 0


16, b

7, c

11,

d

6 días; promedio de 20 frutos por tratamiento.

A la fecha no ha sido reportada la composición química de los compuestos de C.

nocturnum que confieren la actividad fungicida. Sin embargo, Uddin et al. (1991) y Mimaki

et al. (2002) también llevaron a cabo estudios con hojas de C. nocturnum, identificando

saponinas esteroidales como nocturnosidae, espirostanol, furostanol, seudofurostanol, dos

glucósidos pregnano, dos glucósidos colestanos y un glucósido ácido carboxil-y-lactona

pregnano.

Cuadro 2. Infección (%) en frutos de papaya cv. Maradol roja, inoculadas con Fusarium o R.

stolonifer, tratadas con extractos de C. nocturnum y almacenadas a 14 ºC y 28 ºC.

Fusarium spp R. stolonifer

Tratamientos

14 ºCa***

28 ºCb***

14 ºCc***

28 ºCd***

Agua 53 80 73 40



Extractos de huele de

noche:

Acuoso 0.5% 80 47 60 87

Acuoso 1.5% 93 47 60 87

Acetónico 0.5% 73 33 87 73

Acetónico 1.5% 73 7 80 100


8, b

6, c

6, d

5

días; promedio de 20 frutos por tratamiento.

Cuadro 2. Infección (%) en frutos de papaya cv. Maradol roja, inoculadas con Fusarium o R. stolonifer, tratadas con extractos de C. nocturnum y almacenadas a 14 ºC y 28 ºC.

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El porcentaje de mayor infección mayor ocurrió a los 14 días a 28 ºC, lo cual pudo deberse a un periodo mayor de almacenamiento con una temperatura controlada; lo cual permitió un periodo más largo de maduración de la papaya, y por consiguiente un máximo desarrollo de los hongos fitopatógenos. Otra explicación puede estar asociada con el periodo de residuabilidad de los extractos aplicados a la fruta, que al parecer fue breve en el caso de C. nocturnum. En concordancia con otros estudios (Alvarez & Nishijima, 1987; Paull et al., 1997) en nuestra investigación se aislador e identificaron hongos de los géneros Alternaria, Fusarium, Rhizopus, Mucor y Aspergillus (datos no mostrados). Sin embargo, en ambas temperaturas, el hongo Rhizopus fue aislado con mayor frecuencia (5-50%).

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CAPÍTULO 6

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SECCIÓN I


Capítulo 7

P. TAMEZ-GUERRA, G. NÚÑEZ-MEJÍA. Unidad de Formulación de Biológicos de la Facultad de Ciencias Biológicas. San Nicolás de los Garza, N. L., México.

Resumen

Dentro de los bioinsecticidas, el empleo de insecticidas botánicos se ha incrementado en los últimos años. Específicamente, los ejemplos más importantes los representan los piretroides y el Neem (Azadiracta indica A. Juss), ambos obtenidos de árboles. Mientras que los piretroides ya se producen en la industria química, el método de extracción de azadiractina (AZA) (principal metabolito activo del fruto y semillas del Neem) se ha venido modernizando en la India. Debido a que los árboles crecen de forma silvestre en los trópicos de la India, su recolección, comercialización y procesado aún conserva el

El Insecticida Botánico Neem (Azadirachta indica A. Juss): Ejemplo de Agricultura Sustentable en la India con Potencial Para México

The Botanical Insecticide Neem: India’s Sustainable Agriculture Example with Potential for Mexico

modelo de auto-sustentabilidad, especialmente en algunas tribus y zonas de mayor pobreza. Esta revisión presentará las actividades biológicas que se han reportado para esta planta, en base a estudios científicos, y sus diferentes aplicaciones en medicina, veterinaria, cosmetología e higiene, además de su aplicación dentro de manejo integrado de plagas en agricultura, ganadería y mosquitos transmisores de enfermedades.

Abstract

Among bioinsecticides, the use of botanical insecticides has increased in the last years. The most representative examples are the pyrethroids and the Neem (Azadirachta indica A. Juss) obtained from trees. Whereas pyrethroids are currently produced by the chemical industry, the extraction method of azadarichtin (AZA) (main active metabolite from the fruit and seed of Neem tree) is being constantly updated in India. Because Neem trees grow widely in tropical India, its collection, marketing and processing are still ruled by self-sustainability models, especially among some tribes and poor areas. This review will focus on reported Neem´s biological activities with scientific validation, and its potential use in health, veterinary medicine, cosmetology and hygiene. Additionally, its application in integrated pest management in agriculture, farming, and disease transmitter mosquitoes is discussed.

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CAPÍTULO 7

Introducción

Mientras que nuestros antecesores conocían la eficacia de ciertas plantas para el control de insectos plaga, la modernidad trajo la opción del empleo de insecticidas químicos como un método de control más rápido y efectivo a corto plazo. Desafortunadamente, el empleo de insecticidas sintéticos ha conllevado la generación de resistencia, además de ser fuente de contaminación al medio ambiente (Hardy et al., 1996). Es por esto que los investigadores retomaron la búsqueda de compuestos orgánicos, principalmente botánicos, en busca de compuestos presentes en la naturaleza. Los organismos parasitoides, entomófagos y entomopatógenos forman una buena alternativa de bioinsecticidas y sus beneficios van permitiendo, poco a poco, ganar terreno en la agricultura, especialmente en cultivos orgánicos (Schmutterer et al., 1995).

Otra opción la representan metabolitos de organismos y microorganismos con actividad insecticida. Al respecto, el primer metabolito con esta actividad, obtenido de una planta, estudiado, producido y comercializado internacionalmente, lo representan los piretroides. Por su efectividad y costos compite con los sintéticos, pero su producción en la industria química los ha llevado a tener las mismas desventajas de los sintéticos (desarrollo de resistencia de los insectos).

La planta del Neem (Azadirachta indica A. Juss) se ha empleado desde hace cientos de años, principalmente en la India, para uso herbolario-medicinal. En la actualidad, su uso se enfoca en productos de cosmetología, medicina, higiene, control biológico, fertilización y fito-remediación (Conrick, 2001; Andel-Shafy y Zaved, 2002; Bagga et al., 2006; Bose et al., 2007; Dhar et al., 2007). Como

bioinsecticida, del Neem se ha empleado principalmente la semilla (Weathersbee y Tang, 2002). Por el contrario, la mayor cantidad de información del Neem para su uso en medicina está relacionada con las hojas de la planta (Bose et al., 2007; González-Garza et al., 2007; Koul et al., 2007; Mandal-Ghosh et al., 2007).

La presente revisión tiene como objetivo presentar información relacionada a las actividades biológicas del Neem y su uso en sistemas autosustentables y comercialización, principalmente en la India.

Descripción botánica del Neem

Nombre científico: Azadirachta indicaSinómino: Melia indica Brand, Melia azadirachtaNombre común: Neem, Nim.Familia: Meliaceae

Origen y distribución: Nativa de la región tropical más seca de India, Pakistán, Sri Lanka, Malasia, Indonesia, Tailandia y Burma, se ha cultivado con éxito en las regiones áridas de India y África. También crece de forma silvestre en áreas secas de los trópicos y subtrópicos. Es un árbol que inicia su periodo de madurez después de los 3-5 años, y produce flores pequeñas y de esencia muy suave. Su fruta comestible es cerca de _ de pulgada de largo, y puede producir hasta 50 Kg de fruta anualmente (Schmutterer et al., 1995).

Recolección, Procesado y Comercialización del Neem en India. Los árboles de Neem crecen de forma silvestre en India. Todas las partes del árbol, corteza, tallos, hojas, flores, semilla y raíces, tienen uso medicinal, como bioinsecticida, repelente de insectos, para la higiene de hombres y animales (tanto mascotas, animales de granja

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El Insecticida Botánico Neem

y ganado) (Biswas et al., 2002; Grainge y Ahmed, 1988). Durante el mes de abril se toman flores para su procesado, mientras que la cosecha de fruta madura se realiza durante los meses de junio y julio. La fruta madura cae de los árboles, así que la cosecha se realiza por recolección. Diferentes tribus y comunidades pobres realizan la recolección de árboles silvestres en campo y lo llevan a la ciudad, donde lo venden en las calles de mercados. Los curanderos y encargados de los poblados los compran para su uso posterior. Esta práctica se realiza desde hace miles de años (Schmutterer et al., 1995).

Los frutos se separan y secan para su empleo en la “farmacia del pueblo”, además de agricultura y ganadería. Generalmente se guardan en bolsas de yute hasta su uso. En algunas regiones, en donde se realiza el truque, la base de compra es la bolsa de yute con fruta seca. Algunos agricultores siembran árboles de Neem alrededor de las áreas de cultivo, como un bloqueo físico a insectos, como repelente e insecticida. Durante los últimos 50 años se han realizado estudios de investigación más enfocados a entender el por qué de su efectividad en el control de enfermedades e insectos. Para el empleo como repelente, las hojas del Neem se queman dentro de las habitaciones. También se preparan extractos acuosos, moliendo las hojas y semillas de la planta. Estos extractos se filtran y los aplican por aspersión sobre los cultivos, como bioinsecticida (Schmutterer et al., 1995).

Cuando inició la industria del jabón en India, el aceite del Neem fue la fuente más barata para la producción del mismo. Los jabones, además de su uso en higiene personal, se emplean para tratar infecciones (antimicrobiano) y para el control de pulgas, piojos y garrapatas (bioinsecticida). Por lo mismo, la fruta del Neem se empezó a vender desde hace 100 años en la industria oleaginosa y fue la primera

en comercializar el Neem en grandes cantidades. También se emplea para elaborar formulaciones tipo emulsión en aceite, para su aplicación en jardines, invernaderos y campo, como repelente y bioinsecticida (Cuadro 1) (Schmutterer et al., 1995).

Inicialmente, la extracción del aceite de semilla se llevaba a cabo por prensado, utilizando animales de carga que “exprimían” el contenedor con los frutos y semillas. En la actualidad, la extracción del aceite se sigue llevando a cabo por prensado en frío (no se añaden químicos ni se aplica calor), pero con el uso de maquinaria eléctrica. Las semillas se dejan secando sobre una superficie de cemento, se separa cualquier tipo de material diferente a las semillas, y una vez secas, se prensan de forma mecánica en frío. El aceite obtenido se filtra con una gasa, en un proceso de refinación, el cual se realiza por duplicado. El aceite así obtenido se vende a la industria oleaginosa (para la producción de jabones y shampoo), agrícola o farmacéutica, para la elaboración de productos herbales con fines terapéuticos.

El material sobrante del prensado y extracción de aceite de frutos y semillas, se pulveriza y se conoce como polvo del fruto (whole Neem fruit powder) el cual se usa para preparar pasteles (Neem cakes) (Cuadro 1) (Schmutterer et al., 1995). Existe una gran cantidad de compañías de la India que comercializan o exportan Neem y sus productos y que no se enumeran en el Cuadro 1. Para quienes estén interesados, estas compañías están enlistadas en el sitio http://www.neem-products.com.

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Cuadro 1. Productos de neem en el mercado internacional

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Cuadro 1. Productos de neem en el mercado internacional

Nombre del Producto País/Compañía Recomendaciones de Uso

70% Neem Oil EUA/ Monterey, Lawn and

Garden Products, Inc.

Bioinsecticida, fertilizante

Agroneem, Agroneem Plus,

Agroneem Cake

EUA/ Agro Logistic System Inc. Bioinsecticida, fertilizante

Amazin 3% EC EUA/ Amvac Chemical Co. Bioinsecticida

Ayucare Neem (varios) 1

EUA / Natural Plaza Cosmético, Higiene y Medicinal

Ayurvedic Neem Products (20

productos diferentes)

India / Natural Nirvana Bioinsecticida, Cosmético, Fertilizante,

Higiene y Medicinal

AZA-Direct EUA/ Gowan Company Bioinsecticida

Azatina XL Plus EUA/ Certis Bioinsecticida

Azatrol EUA/ PBI Gordon Corp.

BioNeem (Animal, Núcleo,

Vegetal, Turbo, Pour on)

Brasil /Tecnologia Consultoria

Indústria e Comércio Ltda.

Bioinsecticida

BIO-PRE Azactiva, oil neem Italia / BIO-PRE Bioinsecticida

Dyna-Gro Pure Neem oil EUA/ Dyna-Gro Nutrition

Solutions

Abrillantador de hojas (Leaf polish)

Fortune Aza Tech, 3% EC India / Fortune Biotech Limited Bioinsecticida

Green Light Neem Concentrate,

Rose Defense

EUA/ Green Light Co. Medicinal e higiene

GreenNeem (varios) 2

India / k.Sivaram Bros Bioinsecticida

Productos varios 3

India / Ayurvedic & Herbal

Health Medicine

Medicinal, higiene, repelente,

bioinsecticida

AgriLife (varios) 4

India/ Som Phytopharma Bioinsecticida, medicinal, fertilizante

Neemastra, AZA (1%) India/ Classic Chemical Bioinsecticida

Neemazal, 1, 2 y 5% Alemania / Trifolio–M GmbH Bioinsecticida

NeemBa: Oil, Leaves powder,

Cake

Indonesia/ PT Intaran Indonesia Bioinsecticida, fertilizante

Neem Gel India / Gayatri Herbals Pvt Ltd Cosmético

Neemix 4.5 EUA/ Certis Bioinsecticida

Neem Plus India / Tattva´s Herbs Medicinal

Neem Powder India / Pas Kosmosis Agro Pvt

Ltd

Bioinsecticida

Nimbecidine India/ T. Stanes & Company Ltd Bioinsecticida

Organica® K+ Neem EUA/ Organica BioTech Inc. Fungicida

Ornazin 3% EC EUA / AMVAC Chemical Corp. Bioinsecticida, repelente

Ozoneem (varios) 5

EUA / Ozone Biotech Bioinsecticida, fitorremediación,

medicina

Parker Neem cake, Fermi

Neem

India/ Organicneem Online Bioinsecticida, fertilizante

Safer Bio-Neem EUA/ Safer´s Bioinsecticida

Safer Brand 3 in 1 Canadá/ Woodstream Corp Garden Spray, Insecticida

Trilogy EUA/ Certis Bioinsecticida

Neem y AZA (varios) 6

India. The Indian Neem Tree Co. Bioinsecticidas, Medicina, Higiene

Herbal (varios) 7

Índia / A.V.M. Enterprises Bioinsecticidas, Medicina, Higiene

1

Ayucare Neem: Toothpaste - 100 g, Face Wash -50 ml, Soap - 100 g, Shampoo - 150ml, Moisturising Lotion -

150 ml, Moisturising Cream - 50 ml, All Purpose oil -150ml.

2

GreeNeem: Neem Oil Bio Pesticide (1,500ppm a 2,500ppm); Neem cake (fertilizante orgánico y repelente,

AZA (800-900ppm), Coir-Neem Coir (fertilizante orgánico, repelente y nematicida, para invernaderos).

3

Productos: Neem Oil, Limda Neem Soap, Dabur Neem Soap, Margo Neem Soap, Neem Leaf Powder, Ancient

Formulae, Neem Herbal Shampoo, Himalaya Neem tablets, Nimba Neem Active Toothpaste (medicina, higiene

personal, limpiador y antimicrobiano).

4

Productos: Neem Extract (10% - 15% AZA). Neem Cake, Neem Fruit Powder.

5

Ozoneem: AZA al 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, y 40%, bioinsecticida (contiene Azadiractina A del 22% al

28%, Azadiractina B del 3% al 7% y otros limonoides del 7.5% al 65%); Oil (1,500 ppm y 4,000 ppm); Cakes:

nematicida; Coat: encapsulate de urea, fertilizante, para evitar la nitrificación; Trishul (con AZA): a 300ppm

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CAPÍTULO 7

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1 Ayucare Neem: Toothpaste - 100 g, Face Wash -50 ml, Soap - 100 g, Shampoo - 150ml, Moisturising Lotion - 150 ml, Moisturising Cream - 50 ml, All Purpose oil -150ml.

2 GreeNeem: Neem Oil Bio Pesticide (1,500ppm a 2,500ppm); Neem cake (fertilizante orgánico y repelente, AZA (800-900ppm), Coir-Neem Coir (fertilizante orgánico, repelente y nematicida, para invernaderos).

3 Productos: Neem Oil, Limda Neem Soap, Dabur Neem Soap, Margo Neem Soap, Neem Leaf Powder, Ancient Formulae, Neem Herbal Shampoo, Himalaya Neem tablets, Nimba Neem Active Toothpaste (medicina, higiene personal, limpiador y antimicrobiano).

4 Productos: Neem Extract (10% - 15% AZA). Neem Cake, Neem Fruit Powder.

5 Ozoneem: AZA al 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, y 40%, bioinsecticida (contiene Azadiractina A del 22% al 28%, Azadiractina B del 3% al 7% y otros limonoides del 7.5% al 65%); Oil (1,500 ppm y 4,000 ppm); Cakes: nematicida; Coat: encapsulate de urea, fertilizante, para evitar la nitrificación; Trishul (con AZA): a 300ppm (0.03% EC), a 1,500ppm (0.15% EC), a 3,000ppm (0.30% EC), a 10,000ppm (1.00% EC), a 45000ppm (4.50% EC), a 50,000ppm (5.00% EC), y a 60,000ppm (6.00% EC)

6 Productos en crudo sin procesar: hojas, flores, semillas, corteza; Crudo pero procesado, Neem Seed Powder, Neem Leaves Powder, Neem Leaf Granules, Neem Bark Powder; Extractos: Neem Seed Extracts, Neem Leaf Extracts, Neem Bark Extracts; Azaradictina (AZA) grado técnico: al 10 %, 25 %, 35 %, 42 %, 52 % y 96 %; Productos con AZA: Neem seeds, Neem seed

kernels, Neem oils; Bioinsecticidas formulados con AZA: a 300, 1,500, 3,000, 5,000, 10,000, 15,000, 20,000, 30,000, 50,000, y 65,000 ppm Neem Cakes sin aceite: polvo de corteza, de semilla y de hojas); Cakes con aceite (polvo, hojuelas y gránulos; Neem Oils (Natural): AZA a concentraciones de 50, 100-200, 300-400, 600-800, 1,200-1,700, y 1,700-2,200 ppm; Neem Oils (se añade AZA): AZA en presentaciones de 300, 1,500, 3,000, 5,000, 10,000, 20,000, 30,000, 50,000, y 65,000 ppm; Neem Products: Neem Leaf Capsules, Neem Antiseptic Cream, Neem Cleanser, Neem Sanitizer, Neem Disinfectant, Neem Flies (repelente), Neem Oil (100 ml).

7 Herbal Skin Care & Beauty Care Products: Aloe Neem - Face Massage Cream, Anit Pimple Cream (acne), Arun Neem Antiseptic Cream (alergias y quemaduras de la piel), Day Glow (protector solar en crema), Glory Neem Scrub, Glow Neem (crema de noche), Neem Mist (loción humectante), Neem O Clin, (leche limpiadora), Neem O Jol (jabón facial), Neem Orange (gel para masaje), Neem Plus (revitalizante cabello), Neem Silver, Neem Tone, Neem Under Eye Care, Oro Neem, Pimple & Acne Pack, y Radiance Face Pack (facial), Shao Neem Shampoo (Anti Dandruff / Conditioning); Herbal Health & Hygiene Care Products: Amrita - Herbal Tea (té anti-estres), Arthritis Oil (dolor artritis), Body Massage Oil, Daib Neem (Diabetes y Páncreas), Dento Neem (enjuage bucal), Dento Neem Tooth Paste (pasta de dientes), Eczema & Psoriasis oil, Neem Arjuna (té redactor peso), Neem - Detox Tea (té desintoxicante y redactor de peso), Neem - Floral (sauna), Neem – Hydrotherapy (limpiador), Neem - Life tonic (tonificador sanguíneo), Neem Soap (jabón); Herbal Hygiene Care Products: Neem -0-Lime (spray antimicrobiano), Neem Blitz (limpiador desinfectante), Dish Wash Gel - (limpiador de vajilla); Herbal Pets & Vet Care Products: jabones y shampoo para mascotas

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con bioinsecticidas y antibióticos; Indoor Pest Control Products: Neem Pest (bioinsdecticida para interiores), Neem Aerosol Spray (bioinsecticida para control de plagas caseras y mosquitos), Mosquito (crema repelente); Herbal Agro Aid Products: Eco Guard Crop Protector 100%, bioinsecticida, Neem – Aid (antimicrobiano y fertilizante de plantas), Neem Cake Bio Mix, Organic Liquid (fertilizantes orgánicos).

Los pasteles elaborados con los residuos de partes del árbol de neem son ricos en nitrógeno, fósforo, potasio y muchos otros micronutrientes, por lo que se usan como fertilizantes orgánicos para campos agrícolas, jardines, invernaderos, huertos, etc. Además conservan su actividad insecticidas y son especialmente efectivos contra gusanos de la raíz y bacterias, hongos y nemátodos fitopatógenos (Schmutterer et al., 1995).

Después de la extracción del aceite, los residuos se pasan a un molino mecánico que puede cortar los residuos a polvos con diferentes tamaños de partícula. En algunas ocasiones, cuando se desea una mayor concentración de compuestos bioinsecticidas, los frutos secos se muelen directamente (sin la extracción del aceite), tal y como se indica para la compañía The Indian Neem Tree Co., en el Cuadro 1. Los pasteles que se elaboran con el bagazo del Neem sin aceite son de menor calidad y tienen menor vida de anaquel (Schmutterer et al., 1995).

Al igual que los pasteles, el polvo obtenido del fruto del Neem puede prepararse antes o después de la extracción del aceite y su empleo es principalmente como fertilizante de suelo. El tamaño de partícula del polvo generalmente pasa a través de un tamiz con abertura de 2mm. También se puede preparar como granilla de 2-3 cm de largo por 0.5 de diámetro (pellets). El problema con la elaboración

de granilla es que el proceso implica adicionar agua y calentar, con lo cual se pueden descomponer e inactivar algunos de los metabolitos presentes. Por lo mismo, para su almacenamiento se recomienda empacarlo en bolsas de yute y en la sombra con suficiente ventilación, y su vida de anaquel es de 3-4 meses. Si la humedad es alta, el producto se puede deteriorar rápidamente (Schmutterer et al., 1995).

Generalmente se aplican 300 Kg por hectárea en cultivos de arroz y trigo, y se incrementa el requerimiento al doble en otros cultivos, como algodón, caña de azúcar, chiles, pimientos y tabaco. Su aplicación puede ser manual o con máquina, gracias a que el tamaño de partícula no es muy fino. Se ha recomendado usarlo como encapsulante de la urea, pues permite que se libere de forma más controlada (Cuadro 1) (Schmutterer et al., 1995). Además, se ha visto que afecta la población de bacterias que realizan la nitrificación (Gopal et al., 2007) con lo cual el nitrógeno queda disponible para las plantas por mayor tiempo. De cualquier forma, se recomienda aplicarlo antes de la siembra y durante la floración del cultivo (Conrick, 2001).

Constituyentes fitoquímicos. El Neem posee 40 compuestos activos diferentes conocidos como tetranortriterpernoides, o de forma más específica, limonoides. Estos compuestos crean un bloqueo hormonal y previenen la muda de la larva. Los ingredientes activos principales son la azadiractina (AZA), el melantriol y la salannina; los cuales pueden mantenerse viables en el campo de 3 días a 2 meses o más. Ellos pueden controlar efectivamente plagas de insectos pertenecientes a las órdenes Blattodea, Caelifera, Coleoptera, Dermaptera, Diptera, Ensifera, Hetroptera, Homoptera, Hymenoptera, Isoptera, Lepidoptera, Phasmida, Phthiraptera,

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CAPÍTULO 7

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Siphonoptera y Thysanoptera, algunas especies de ácaros y nemátodos, e incluso algunos caracoles y hongos indeseables, incluyendo especies de Aspergillus productoras de aflatoxinas (Krishnamurthy y Shashikala, 2006; Zeringue et al., 2001).

La AZA es el metabolito secundario más activo que posee características pesticidas entre los limonoides presentes en las semillas del árbol del Neem. Es uno de los limonoides altamente oxidados y más complejos (Weathersbee y Tang, 2002). Posee un marcado efecto anti-alimentario, repelente y regulador del crecimiento en un amplio grupo de especies de insectos, mostrando también acción acaricida, nematicida y fungicida en los preparados oleosos. Otro de los compuestos que contiene el Neem es la salanina, la cual es un repelente de insectos muy eficaz (Jenkins et al., 2003; Shoewler et al., 2004).

Propiedades biocidas de los extractos vegetales. Como se mencionó antes, los compuestos presentes en el Neem pueden ser empleados en el control biológico de insectos debido a que poseen propiedades anti-alimentarias, repelentes, inhibidoras del crecimiento e insecticidas. Dichas actividades biológicas son debido a la AZA. Es por esto que algunos productos se refieren a su concentración como referencia para la dosis de aplicación requerida por cultivo y área a tratar (Schmutterer et al., 1995). Actúa por contacto y tiene acción estomacal contra un amplio rango de plagas (Weathersbee y Tang, 2002). Se conocen más de 400 especies de insectos plaga que pueden ser controlados efectivamente por la AZA (Tang et al., 2005).

La AZA actúa sobre el sistema hormonal del insecto, específicamente bloquea la expresión de la ecdisona, la cual permite el cambio de un estadío larvario a otro, gracias a la muda. Durante el período de muda (cuando

la larva se desprende de su piel vieja y emerge con una piel nueva, más adecuada a su tamaño en el nuevo estadío larvario), no puede alimentarse. Esperando la muda, la larva muere de hambre. Es por eso que se señala a la AZA con propiedades anti-alimentarias (Musabyimana et al., 2001). Al combinarse esta actividad con todas aquellas producidas por los otros compuestos terpeniodes presentes en la planta del Neem, la posibilidad de desarrollo de resistencia se reduce notablemente (Hardy et al., 1996).

En los insectos adultos, además de inhibir la formación de quitina, la AZA interfiere en la comunicación sexual, el apareamiento y, por consecuencia, en la reproducción. En la mayoría de los compuestos comerciales para su empleo como bioinsecticida, la presentación es como concentrado en forma de emulsión en aceite. Generalmente se requiere de 5-10 ppm de AZA por litro de agua, y se recomienda aplicar 200 litros por acre. Esta es la dosis recomendada para el control de insectos de cuerpo blando, como áfidos, mosquita blanca, trips, etc. Incluso a esta dosis se tiene un efecto repelente contra algunas palomillas, las cuales evitan ovopositar en las plantas tratadas. La dosis de 15 ppm o mayor se recomienda para el control de gusanos de lepidópteros, principalmente por el efecto anti-alimentario (Hardy et al., 1996).

Para la mayoría de las casas comerciales, los productos con este tipo de formulación, emulsión en aceite concentrado, tienen una vida de anaquel de un año, a menos que en la etiqueta del producto indique otra cosa. Algunas casas comerciales aseguran que el producto mantiene su efectividad durante todo el periodo, pero en ocasiones se ha comprobado que va disminuyendo con el tiempo.

A la lista de actividades biológicas del Neem, se puede incluir actividad antimicrobiana y antiviral, para el

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control de fitopatógenos o microorganismos que afectan la salud (Grainge y Ahmed, 1988; Gopal et al., 2007; Jagannath y Radhika, 2006; Melathopoulos et al., 2000; Polaquini et al., 2006; Talwar et al., 1997). Además se ha comprobado tener actividad citotóxica y genotóxica, por lo cual se ha comprobado tener un efecto abortivo, para el control de la natalidad e incluso para tratar diabetes y cáncer (Koul et al., 2007; Mandal-Ghosh et al., 2007; Rao et al., 2005; Mishra y Singh, 2005; Waheed et al., 2006). Los productos comerciales a base de Neem o AZA se presentan en el Cuadro 1.

Actividad in Vitro. Existen numerosos reportes de la actividad insecticida del extracto comercial del Neem Neemix 4.5® (Certis, Colombia, MD). Por ejemplo, se confirmó su efectividad contra el afidido marrón de la fruta cítrica (BrCA), el Toxoptera citricida (Andel-Shafy y Zayed, 2002). Al evaluar los efectos de formulaciones comerciales a base de Neem en adultos de Ceratitis capitata en laboratorio, se observó una reducción en el número de huevecillos puestos, con lo que se confirmó que inducía esterilidad en la hembra después de una exposición a corto plazo (Di-Ilio et al., 1999). Al evaluar el efecto anti-alimentario y la disminución de la ovoposición del ácaro Anthonomus grandis grandis con tres pesticidas comerciales a base de Neem, Agroneem, Ecozin y Neemix, y una formulación de extracto de semilla de Neem en condiciones de laboratorio, se observó una reducción del 46-60% en el efecto anti-alimentario y un 62-82% en la ovoposición, comparado con los controles (Shoewler et al., 2004).

Extractos del Neem afectaron negativamente la alimentación y el desarrollo de Clavigralla scutellaris (Westwood). También redujo significativamente la roedura, la penetración de la pared de la vaina y el daño

de la semilla de habas por larvas del quinto estadío. En semillas de frijol Phaseolus vulgaris, sumergida en extracto acuoso, metanólico o hexánico de semillas de Neem, las larvas del cuarto estadío presentaron anormalidades en el desarrollo en todas las concentraciones probadas y la fecundidad disminuyó a cero en las concentraciones sobre 0.3125%, con un valor calculado de la concentración letal media (CL50) de 3.14% a 220 ppm después de 8 días (Mitchell et al., 2004).

Una de las acciones que se le atribuye a la planta del Neem es el efecto ovicidal, es por eso que se estudió el efecto de AZA contra el mosquito Culex tarsalis coquillett y Culex quinquefasciatus. Al evaluar la actividad ovicida de varias formulaciones de AZA y de Neem contra el mosquito Culex tarsalis coquillett y Culex quinquefasciatus, los resultados mostraron ese efecto sólo en los huevecillos depositados directamente en la suspensión (0 h después de la ovoposición), y no en los huevecillos que tenían de 4-24 h de ovopositados. De cualquier forma, la actividad del AZA, una vez preparada la suspensión, mostró una vida de anaquel muy baja. Las suspensiones de Neem a 1 ppm perdieron totalmente su actividad ovicida después de 7-20 días de elaboradas. Los huevecillos de Cx. quinquefasciatus fueron más susceptibles a los productos de Neem que Cx. tarsalis. Los productos formulados del Neem fueron más persistentes y eficaces que el AZA. Este estudio mostró el potencial de los productos a base de Neem como posibles ovicidas contra mosquitos, y no así las preparaciones de concentrados de AZA (Su y Mulla, 1998).

Para el control de adultos del perforador de la raíz del plátano, Cosmopolites sordidus (Germar), se colocaron en disco de bulbos de la raíz, varios tratamientos que consistían en un extracto acuoso al 5% con polvo de semilla

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de Neem, o en pasta y una emulsión con aceite al 2.5 y 5%. Las hembras depositaron menos del 75% de huevos en los discos tratados. También se observó que entre más alta es la concentración de los tratamientos a base de Neem, se tenía una reducción en la ovoposición más eficiente. El daño presentado por las larvas en los discos tratados era menos perceptible que en los no tratados. Las larvas tardaron en localizar sitios de alimentación. Pocas larvas sobrevivieron y pesaron dos a cuatro veces menos que las larvas no tratadas. (Musabyimana et al., 2001).

Se ha reportado que la exposición al contacto o a extractos volátiles del Neem, suprimen e inhiben considerablemente la ovoposición de la hembra Anopheles. La inhibición completa de la ovoposición fue observada por la exposición de los mosquitos al aceite de Neem y a una fracción que contenía compuestos volátiles. También se encontró que el efecto de los compuestos volátiles en la ovoposición parece ser regulada por la absorción a través de la cutícula (Dhar et al., 1996).

Propiedades microbicidas in vivo e in planta. Como ya se mencionó, dentro de las actividades biológicas del Neem se encuentra la actividad antimicrobiana. Por ejemplo, el aceite y el extracto de la semilla del Neem inhibieron el crecimiento de Paenibacillus larvae in vitro; y se controló este patógeno de la abeja (Apis mellifera L.). Sin embargo, no se presentó ningún efecto en el crecimiento de Ascophaera apis (Melathopoulos et al., 2000).

Cultivos de hongos de Aspergillus sp. aflatoxigénicos fueron tratados con aceite de Neem clarificado (ANC) y compuestos volátiles emitidos del aceite, después de 5 días de exposición se redujo el crecimiento radial de un 7-29 % y la producción de aflatoxina a un 0-67%. Los resultados sugirieron que los compuestos volátiles del ANC de 30

carbonos, tuvieron un efecto fungistático en los cultivos y consecuentemente inhibieron significativamente mejor la producción de aflatoxina, comparado con el aceite en cultivos líquidos (Zeringue et al., 2001). Se observaron resultados similares al emplear pasteles de Neem (Neem cakes) (Krishnamurthy y Shashikala, 2006).

Estudios realizados para evaluar el control del protozoario Plasmodium falciparum, agente causal de la malaria, demostraron que el extracto de hojas del Neem podían controlar la enfermedad, e incluso era efectivo en pacientes que ya no respondían al tratamiento químico (forma resistente del protozoario) (Udeinya et al., 2006). El mismo estudio reveló que era posible además reducir el nivel de transmisión de la enfermedad (Udeinya et al., 2006).

Ejemplos de otros microorganismos cuyo control se ha evaluado con Neem son:

- Bacillus cereus (Jagannath y Radhika, 2006)- Candida albicans (Talwar et al., 1997) (reduce la adhesión / formación de biofilms) (Polaquini et al., 2006)- Chlamydia trachomatis (Bagga el al., 2006)- Crinipellis perniciosa (de Rezende-Ramos et al., 2007)- Escherichia coli (Talwar et al., 1997; Jagannath y Radhika, 2006)- Gardnerella vaginalis (Neem y otros) (Pandey, 2000)- Helicobacter pylori (Rao et al., 2005)- Klebsiella pneumoniae (Biswas, 2002)- Neisseria gonorrhoeae (Talwar et al., 1997)- Phytophthora ssp. (de Rezende-Ramos et al., 2007)- Salmonella typhimurium (Jagannath y Radhika, 2006)- Staphylococcus aureus (Jagannath y Radhika, 2006)- Streptococcus pyogenes (Mandal-Ghosh et al., 2007)- Vibrio cholerae (Thakurta et al., 2007)

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- Herpes simplex-2 y HIV-1 (Talwar et al., 1997).

Pero sin duda, la primera observación y uso empírico del Neem para tratar una enfermedad viral fue con la varicela. El India, recostaban a los enfermos de varicela sobre una cama de hojas del Neem (Schmutterer et al., 1995). De igual forma, gracias a su acción comprobada contra el acné ya existen diferentes productos en la industria de la cosmetología para su tratamiento a base del Neem (Cuadro 1).

Conclusión

El cultivo del árbol del Neem en India es uno de los mejores ejemplos en agricultura sustentable. Además de en este país, en muchos otros ha sido una “panacea” en el tratamiento de enfermedades. En años recientes, reportes científicos han apoyado la sabiduría herbolaria ancestral, comprobando sus propiedades para tratar diabetes, infecciones microbianas, cáncer e incluso enfermedades de la piel. Todas las partes del árbol se emplean para preparar soluciones para diferentes tratamientos en medicina, pero inicialmente su principal uso en la industria de India fue para la elaboración de jabones. Gracias a su capacidad de crecer en zonas semiáridas, estos árboles han ayudado a evitar la desertificación y se ha comprobado que se pueden emplear como fito-remediadores en zonas contaminadas con algunos metales pesados, especialmente en zonas mineras. Los residuos de la planta se pueden usar como fertilizante (abono verde). Pero su principal uso (hablando en términos de volumen de comercialización) es como bioinsecticida. Su comercialización es internacional y el incremento en exportaciones de India a todo el mundo se ha visto en años recientes, gracias al auge de agricultura orgánica. Por todo esto, el cultivo del Neem esta siendo evaluado y valorado en muchos países, especialmente en

vías de desarrollo, para su implementación dentro de la agricultura regional.

Agradecimientos Al Dr. Ricardo A. Gómez Flores y a la M. C. Gabriela Damas, por su apoyo en la revisión del mismo. Al CONACyT, por su apoyo con la beca 204767, al PAICyT, por el proyecto CN1355-06

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SECCIÓN I


Capítulo 8

R. GAMBOA-ALVARADO*, J. BERNI-MEDINA, E. CERNA-CHÁVEZ, A. ACOSTA-ZAMARRIPA y P. CERDA-GARCÍA. *BerniLabs S. de R. L. Aguascalientes, Ags., México.

Resumen

Nuestra tecnología (Biocrack) esta enfocada hacia una comprensión sistémica del Manejo Integrado de cultivo (MIC), trabajamos en contra del paradigma dominante, que ante la presencia de insectos en los cultivos se decide por el uso de plaguicidas, sin intentar otro tipo de prácticas que sean de menor impacto ecológico. Así mismo vamos en contra de la falta de información respecto al ciclo biológico y hábitos de las plagas, el desconocimiento de las opciones tecnológicas disponibles, que sean dadas por medio de productos o practicas agrícolas alternativas, dentro del sistema de MIC. Esta situación ubica a muchos productores agrícolas en un patrón de decisión por reacción, donde de

Paradigmas en el Uso de Infoquímicos dentro del Manejo Integrado del Cultivo

Paradigms in the Use of Infochemicals in Integrated Crop Management

manera comprensible pero lineal, el agricultor solo piensa en atacar la causa visible de los efectos que provocan los insectos perjudiciales, desconociendo o minimizando el potencial que tienen los agentes de control biológico (predadores, parasitoides, etc.) en el agroecosistema. Bajo lo anterior, vemos la importancia de la disponibilidad de una tecnología que estimulé la presencia de diversidad informacional a través de los aromas de diversos mensajeros químicos, sin la necesidad de las especies biológicas que los emitan; y como consecuencia de este enriquecimiento informacional en los agroecosistemas, logramos generar cambios en la conducta de los insectos, de tal forma que al grupo de insectos perjudiciales les llegan mensajes de repulsión, por otro lado, los insectos benéficos detectan señales de atracción para cumplir sus funciones como predadores o parasitoides, en contra de los insectos perjudiciales o bien para favorecer la función de polinizar.

Asbtract

Our technology (Biocrack) is focused to an Integrated Crop Management systemic comprehension; we work against the dominant paradigm that facing pest insects leads to pesticides use and in many cases to chemical control abuse, without trying another kind of practices with less ecologic impact. We also are against the lack of information about pest biologic cycle and habits

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Infoquímicos en el Manejo Integrado de Plagas

and available technology options, this last given through ICM alternative products or practices. This places farmers in a reaction decision pattern, where in a comprehensive but linear way, just think on attacking the plagues effects visible cause, minimizing or unknowing ecosystems biological control agents (predators, parasitoids, etc.). Under the previous statements, we look the importance and availability of a technology that stimulates the informational diversity presence through different chemical messengerʼs aromas, without having their emitterʼs presence, and as a consequence of this agro-ecosystem informational enrichment we achieve in modify insects behaviour in such a way that pest insects receive repelling messages and in the other side, beneficial insects receive attraction signals to accomplish their purpose against pest insects as predators or parasitoids as well as to favour their pollination function.

Introducción El uso de extractos vegetales como elementos

de control de insectos en la agricultura hasta antes de la aparición de los insecticidas comerciales, era una práctica de origen ancestral y ampliamente utilizada en diversas culturas y regiones del planeta (Arnason et al., 1989). El uso de extractos y plantas pulverizadas como insecticida pueden clasificarse en tres etapas: La tradicional, La de búsqueda y La contemporánea (Rodríguez, 2000). La etapa tradicional data de la época del imperio romano hasta el año 1850, esta se caracterizo por el uso de polvos humos y extractos de especies como Tanacetum cinerariaefolium y Lonchocarpus sp para el control de piojos. El primer reporte de un insecticida natural (propiamente dicho), fue aproximadamente en el sigo XVII cuando se demostró que la nicotina, mataba a escarabajos que atacaban a huertas de ciruelo (Arie, 1931); En la segunda etapa del

uso de extractos vegetales, esta comprendida entre 1850 y 1980. Hacia el siglo XIX aparecieron nuevos insecticidas vegetales como la rotenona, el cual se obtenía de las raíces de la planta Derris elliptica. Posteriormente, se usaron plantas con propiedades irritantes como la rianina, sabadilla y el incienso (Jacobson, 1975). Actualmente con la búsqueda de alternativas ecológicas, resurgen las plantas como una opción dentro del manejo de plagas a los diferentes niveles de producción agrícola, lo que ha obligado a conocer el verdadero potencial de cada especie vegetal.

En la actualidad, dado los problemas y restricciones del uso de agroquímicos por los impactos que han presentado en el medio ambiente y en los seres humanos, así como en mercados que cada vez se tornan mas exigentes, debido a que las personas toman mas conciencia de ingerir productos libres de pesticidas (Smith y Barnard, 1992), el uso de estas sustancias están prácticamente fuera de contexto de la producción agrícola de vanguardia. Esto conlleva, a una revisión profunda respecto a la manera en como estamos realizando hoy la agricultura y de cómo debemos lograr el sustento en el corto, mediano y largo plazo. Iniciando una nueva etapa, donde el proceso de nuevas tecnologías para el control de plagas, tiene como eje de sus diseños, productos de acción especifica y de bajo impacto en el ambiente, el cultivo y en organismos circundantes.

Como alternativas al uso de químicos convencionales para el manejo de problemas fitosanitarios, ha surgido el grupo de insumos conocidos como eco-racionales o bio-racionales que lo integran diversas fuentes naturales (microbianos, fermentos, extractos, minerales). Dentro de los extractos se ubican las sustancias de naturaleza vegetal (Infoquímicos) que sintetizan ciertas especies de

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plantas como mecanismo de defensa contra el ataque de diferentes plagas (Llanderal, 1997). Los infoquímicos en general, no son sustancias nutritivas y se clasifican según su función y respuesta en el receptor. Existen así las feromonas (que son sustancias de comunicación ínter especifica) y los aleloquímicos (que son sustancias de comunicación entre organismos de especies diferentes). Entre los aleloquímicos están las alomonas, kairomonas y sinomonas que son emitidos por cualquier organismo (animal, vegetal o microbiano). Las alomonas son sustancias que sólo favorecen a quien lo emite y es perjudicial al organismo que lo percibe, provocando así en el insecto receptor un alejamiento de la fuente emisora (repelencia). Las kairomonas son también producidas por diversos organismos pero en este caso sólo se beneficia el receptor y el emisor puede ser perjudicado o delatado, ejerciendo en insectos un efecto de atracción a la fuente emisora. Las sinomonas, por su parte son sustancias producidas por muchos vegetales (aromas de flores); en este caso se favorecen tanto el organismo que lo emite como el que lo percibe (insectos polinizadores, parasitoides, depredadores). El término sinomona aplica a aquellos terpenoides o fenoles inducidos por organismos vegetales bajo la acción de daño por herbívoros (insectos) que son inducidos a liberarse y que sirven de señal a los enemigos de sus enemigos, esto es, señales de aviso para insectos parasitoides y depredadores que ayudarán a la planta a reducir el daño por insectos defoliadores o chupadores, este es el caso de un ejemplo de una sinomona, donde el emisor y el receptor se benefician (Birch y Haynes, 1992).

Es importante mencionar que no todas las especies de plantas han logrado desarrollar este tipo de mecanismo de defensa, por lo que, bajo el concepto de ayudar a la planta prestándole este tipo de compuestos provenientes de otras plantas, ha sido el objetivo de estudio de este tipo

de compuestos para el desarrollo de insumos de protección contra los enemigos de las plantas cultivables que se desean proteger. También, obedeciendo a un principio ecológico que se ha visto como fundamental en el equilibrio ecológico de especies como sucede en una comunidad vegetal natural (selva, bosque, matorral), el no dispararse poblaciones de insectos perjudiciales de la mayoría de los vegetales que la componen, sucede principalmente por la diversidad de mensajeros químicos que envuelven el ambiente que ellas mismas liberan en forma continua, dificultando así a una o varias especies insectiles a ubicarse en el ecosistema en forma explosiva. Bajo este concepto, a manera de devolver la riqueza de mensajeros químicos en el agroecosistema (que normalmente es en monocultivo), ha sido la otra razón por la que se han venido usando estas sustancias que forman parte de los diseños de insumos biorracionales que se han venido investigando en BerniLabs, para así, favorecer el reestablecimiento del equilibrio ecológico, regulando paulatinamente las poblaciones de los insectos perjudiciales.

La tecnología que se ha venido desarrollando en el producto Biocrack esta enfocada hacia una comprensión sistémica del Manejo Integrado del Cultivo, no sólo del Manejo Integrado de Plagas (MIP) Biointensivo, para lo cual se ha venido trabajando en forma paralela con herramientas de soporte técnico que respalden y se haga diferencia en contra del paradigma dominante, que ante la presencia de insectos en los cultivos se decide por el uso de plaguicidas y en muchos casos por el abuso del control químico, sin intentar otro tipo de prácticas que sean de menor impacto ecológico (Berni, 1999). Así mismo vamos en contra de la falta de información respecto al ciclo biológico y hábitos de las plagas, el desconocimiento de las opciones tecnológicas disponibles, que sean dadas por medio de productos o practicas agrícolas alternativas, dentro del

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CAPÍTULO 8

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sistema de MIP. Esta situación ubica a muchos productores agrícolas en un patrón de decisión por reacción, donde de manera comprensible pero lineal, el agricultor solo piensa en atacar la causa visible de los efectos que provocan los insectos perjudiciales, desconociendo o minimizando el potencial que tienen los agentes de control biológico (predadores, parasitoides, etc.) en el agroecosistema u otro tipo de herramientas amigables con el ambiente (Dent, 1993).

Sabemos que la biodiversidad en los ecosistemas naturales interconstruye su propia red de estabilidad y resiliencia, por medio de la cual se sostiene con mínima energía y de una manera compleja la trama de la vida. También es cierto que es el monocultivo el sistema dominante para la producción de nuestros alimentos. Sabemos que estos agroecosistemas (monocultivo) no son autosostenibles y que en la actualidad son altamente dependientes de agroquímicos (Plaguicidas y fertilizantes) y de la energía no renovable para producirlos (Berni y Cerna, 2007). Bajo lo anterior y considerando la poca factibilidad práctica del policultivo, vemos la importancia de la disponibilidad de una tecnología que estimule la presencia de diversidad informacional a través de los aromas de diversos mensajeros químicos, sin la necesidad de las especies biológicas que los emitan; y como consecuencia de este enriquecimiento informacional en los agroecosistemas, logramos generar cambios en la conducta de los insectos, de tal forma que al grupo de insectos perjudiciales les llegan mensajes de repulsión, por otro lado, los insectos benéficos detectan señales de atracción para cumplir sus funciones como predadores o parasitoides, en contra de los insectos perjudiciales o bien para favorecer la función de polinizar. Construyendo un sistema mediante la cual se reduce gradualmente la presencia de insectos perjudiciales y se atrae a las poblaciones de insectos benéficos de tal

forma que se logra:

• Una regulación y armonización de los flujos poblacionales entre los insectos herbívoros y los insectos benéficos de plantas cultivadas.

• Una reducción al mínimo necesario el uso de control químico (Salvo en algunos casos de elevadas infestaciones de insectos perjudiciales).

• Una reducción a la mínima expresión de la posible contaminación del agua, del aire, del suelo y de todas aquellas personas que día a día tienen contacto con la producción de alimentos (Cosechadores, jornaleros, tractoristas, fumigadores, etc.).

Paradigmas de la agricultura. El concepto de paradigma fue generado por el doctor Thomas Kuhn en el año de 1962, el cual a ultimas fechas se ha revalorizado para mostrar su potencial de lo que puede ser la apertura hacia la generación de nuevo conocimiento, de tal forma que permita, establecer una interpretación y comprensión de los fenómenos biológicos mas a tono y equilibrada con los retos científicos y tecnológicos del tiempo actual. Este tipo de comprensión exige un gran esfuerzo, que consiste en ubicar, un proceso distinto de pensamiento, para lograr enfoques mas creativos y capaces de resolver las problemáticas presentes, multidimencionalmente en la naturaleza, en todos los campos del quehacer humano y de manera particular en lo que toca a las interpretaciones de la interacción entre las plantas y los insectos; el motivo de esto resalta por su obviedad: la alimentación, salud y supervivencia de las especies (Kuhn, 1993).

La definición de paradigma se refiere a los patrones o modelos con los cuales se enfrenta la realidad

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dentro de ciertos límites, resolviéndola de manera exitosa dentro de los mismos. Estos patrones o modelos pueden ser interpretados como estrategias para ir solucionando problemas de cualquier índole. Estos dogmas fueron establecidos desde el punto de vista material, dejando a un lado los otros dos componentes de la conceptualización del universo (energía y el flujo de información), por lo que, han surgido pensadores que tratan de ubicar y especular soluciones a los diversos problemas percibida en el dominio de la energía y de la información, con lo cual seguramente se pueden lograr nuevas y diferentes interpretaciones (Hull, 1996).

El ubicar este tipo de pensamiento requiere de un gran esfuerzo, ya que, por cuestiones de formación y del paradigma implícito con el cual se ha desarrollado, simplemente se acepta la imposibilidad de realizar un cambio de modelo. Por lo que el nuevo paradigma, indica que las relaciones son de tipo no lineal, que caracteriza a los componentes de ese sistema bajo un criterio neutral, es decir no los califica y donde la conexión de los eventos se articula como una telaraña (Cesarman, 1986). La reingenieración de esta percepción puede presentar dos tipos de problemas fundamentales, el primero consiste que al percibir la información correspondiente a un nuevo paradigma de manera automática e inconsistente se ignoran “Los datos inesperados” y segundo, si no se ignoran dichos datos, entonces mediante la percepción se tratara de “acoplar la información” a las características del viejo paradigma, distorsionando así los contenidos de dicha información, en vez de aceptar en su pureza las excepciones de la regla (Kuhn, 1993).

Los paradigmas más comunes en agricultura están relacionados con los modelos de producción, en donde el paradigma dominante (revolución verde), propone el uso

de sustancias de origen sintético (fertilizantes, herbicidas, fungicidas etc.), variedades mejoradas, uso de energía adicional (electricidad, diesel, etc.), con la finalidad de lograr rendimientos superiores, realizándolo de una manera lineal. De esta manera, se esta integrando un modelo diferente al paradigma dominante de producción (paradigma agroecológico), este modelo propone un manejo de tipo no lineal donde la interconexión de los eventos se articulan como una telaraña o red internodal, donde los eventos son mutuamente incluyentes uno de otro.

De este modo, el universo se conceptualiza a través de la manifestación de la materia, la energía y la información, a partir del conocimiento de estas tres realidades se crean las diferentes interpretaciones del mundo y con ello las distinciones de cada área del conocimiento. La continuidad de la vida en este universo se da por la existencia de flujo de estos tres componentes material, energética e informacional, permitiendo la co-evolución de los seres vivos en base a la secuencia: Estimulo-Recepción-transducción-respuesta (Abrahamson, 1987).

Uso de infoquímicos en agricultura. La búsqueda de alternativas de control de plagas ha sido una constante, tanto para la ciencia como para la tecnología, conforme avanza el conocimiento en las diversas áreas (biología, botánica, entomología, física, bioquímica, toxicología, etc.), Así mismo se ubica también, una historia del estado de dichas tecnologías, tanto por sus beneficios como por sus desventajas, definiéndose por si mismas como las diferentes generaciones de agroquímicos que evolucionan para el control de insectos plaga en los cultivos; mediante criterios cada vez mas orientados al orden natural y con efectos dirigidos a insectos específicos y sin efectos sobre los organismos no blanco que circundan el agroecosistema

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CAPÍTULO 8

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Figura 1. Formas en las que ejercen las plantas efectos en insectos fitófagos

Estos metabolitos secundarios son sustancias no esenciales para los ciclos o procesos

de las plantas, pero estas los producen para atraer polinizadores, ahuyentar o matar parásitos,

y prevenir enfermedades infecciosas (Figura 1). Los metabolitos secundarios (en la mayoría

de los casos) no parecen ser necesarios para la supervivencia de las plantas, pero pueden

suponer una ventaja competitiva considerable. Los metabolitos secundarios poseen otras

características, como son: No tener funciones metabólicas directas aparentes, Ser importantes

para la supervivencia e interacción con el entorno, Presentar diferente distribución en el reino

vegetal (Levin, 1976). Podemos encontrar sustancias denominadas infoquímicos o

semioquímicos, que se definen como las feromonas, aleloquímicos u otras sustancias que se

dan en la naturaleza como un sistema de interacción química entre los organismos. Estos

infoqímicos se dividen en dos grandes grupos de acuerdo a los actores involucrados (entre la

misma especie o entre especies diferentes), En el caso de infoquímicos entre emisores y

receptores de la misma especie se le da el nombre de feromona, la cual se define como

sustancias secretadas hacia el exterior por una planta o animal que provocan una reacción

especifica en un receptor de la misma especie; existen feromonas de agregación, sexual,

dispersión, alarma, etc. (Figura 2).

Figura 2. Clasificación de los mensajeros químicos


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Estos metabolitos secundarios son sustancias no esenciales para los ciclos o procesos

de las plantas, pero estas los producen para atraer polinizadores, ahuyentar o matar parásitos,

y prevenir enfermedades infecciosas (Figura 1). Los metabolitos secundarios (en la mayoría

de los casos) no parecen ser necesarios para la supervivencia de las plantas, pero pueden

suponer una ventaja competitiva considerable. Los metabolitos secundarios poseen otras

características, como son: No tener funciones metabólicas directas aparentes, Ser importantes

para la supervivencia e interacción con el entorno, Presentar diferente distribución en el reino

vegetal (Levin, 1976). Podemos encontrar sustancias denominadas infoquímicos o

semioquímicos, que se definen como las feromonas, aleloquímicos u otras sustancias que se

dan en la naturaleza como un sistema de interacción química entre los organismos. Estos

infoqímicos se dividen en dos grandes grupos de acuerdo a los actores involucrados (entre la

misma especie o entre especies diferentes), En el caso de infoquímicos entre emisores y

receptores de la misma especie se le da el nombre de feromona, la cual se define como

sustancias secretadas hacia el exterior por una planta o animal que provocan una reacción

especifica en un receptor de la misma especie; existen feromonas de agregación, sexual,

dispersión, alarma, etc. (Figura 2).




o sobre el medio ambiente (Lagunes y Villanueva, 1994).

Cuando observamos la interacción que existe entre las plantas y los insectos, resulta critica la característica de inmovilidad de las plantas, por su parte, los insectos con una gran ventaja de su amplia capacidad de movilización (vuelo, locomoción), buscando completar sus necesidades básicas de existencia, como es el refugio, el alimento y la reproducción. Esta diferencias entre las plantas y los insectos forzaron a que las primeras actuaran para sobrevivir mediante la creación de un metabolismo secundario en el que se elaboran diferentes compuestos químicos, persistentes en la planta y en el espacio aéreo circundante; que actúan sobre el comportamiento y desarrollo de los insectos fitófagos (Wittaker, 1970).

Estos metabolitos secundarios son sustancias no

esenciales para los ciclos o procesos de las plantas, pero estas los producen para atraer polinizadores, ahuyentar o matar parásitos, y prevenir enfermedades infecciosas

(Figura 1). Los metabolitos secundarios (en la mayoría de los casos) no parecen ser necesarios para la supervivencia de las plantas, pero pueden suponer una ventaja competitiva considerable. Los metabolitos secundarios poseen otras características, como son: No tener funciones metabólicas directas aparentes, Ser importantes para la supervivencia e interacción con el entorno, Presentar diferente distribución en el reino vegetal (Levin, 1976). Podemos encontrar sustancias denominadas infoquímicos o semioquímicos, que se definen como las feromonas, aleloquímicos u otras sustancias que se dan en la naturaleza como un sistema de interacción química entre los organismos. Estos infoqímicos se dividen en dos grandes grupos de acuerdo a los actores involucrados (entre la misma especie o entre especies diferentes), En el caso de infoquímicos entre emisores y receptores de la misma especie se le da el nombre de feromona, la cual se define como sustancias secretadas hacia el exterior por una planta o animal que provocan una reacción especifica en un receptor de la misma especie; existen feromonas de agregación, sexual, dispersión, alarma, etc. (Figura 2).

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Por otro lado, encontramos al grupo de los aleloquímicos, donde se pueden definir como productos químicos relevantes para organismos de especie diferente al emisor, por razones diferentes a las alimenticias (Figura 2), existen aleloquímicos llamados Alomonas (agente químico emitido y que entra en contacto con otro organismo de diferente especie provocándole un a reacción negativa - repelencia, disuasión, etc. provocando una respuesta positiva solo para el emisor), Kairomonas (agente químico cuya respuesta es favorable únicamente para el receptor - plaga a cultivo), Sinimona ( Agente químico cuya respuesta es favorable tanto para el receptor como para el emisor – abeja a flor) y por último las Apneumonas ( Son sustancias emitidas por material inerte que provocan una reacción comportamental favorable al receptor, pero antagónica para organismos de otras especies que se pueden encontrar en el material emisor – exubias, excretas de larvas) (Eisner y Meinwald, 1995).

También, existen cuatro sistemas básicos de interacción del insecto con su medio ambiente, la Fotorecepción (los insectos detectan ondas electromagnéticas en la región ultravioleta y visible), la Mecanorecepción (Perciben energía mecánica generada por fuerzas físicas – vibración y presión), la Quimiorecepción (Perciben energía química de diversas moléculas) y finalmente Termorecepción (Detectan ondas electromagnéticas de la región infla-rojo); este es el caso donde se pueden citar a los diferentes infoquímicos destacando entre ellos a las feromonas y todos los diferentes grupos de aleloquímicos y cómo los insectos logran detectarlos (Koemel y Callahan, 1994).

Las principales formas en las que se pueden trabajar con los infoquímicos bajo un esquema de Manejo Integrado de Plagas (MIP), es a través de establecer la

biodiversidad informacional que alguna vez existió en estos, ya que, al remplazar a las comunidades complejas de un ecosistema se rompe con la estabilidad, por lo que, la baja biodiversidad informacional favorece el desequilibrio del agroecosistema. Por esta razón, es importante mencionar que al generar este desequilibrio se tiene que asimilar la práctica agronómica de asperjar estas moléculas protectoras a las plantas o cultivos para reiniciar con la estabilidad y equilibrio informacional, y aprovechar el sistema de interacción planta insecto como herramienta de regulación natural. Con base en lo anterior, Biocrack (extracto hecho a base de ajo, ruda, manzanilla, entre otras diversos diversos terpenoides y fenoles de origen vegetal) sin ser un insecticida, actúa en la protección de los cultivos donde se aplica, mediante los tres efectos básicos, repelencia, disuasión e hiperexcitación. Estos tres efectos de mensajeria química que circulan a la planta y al cultivo en general, crean una condición diferente, con el enriquecimiento de la diversidad infoquímica de la interfase gaseosa que favorece la regulación de los insectos hacia niveles poblacionales que no representan daño económico. Además, Biocrack presenta una atracción hacia los organismos benéficos (parásitoides, depredadores, polinizadores, etc.), como resultado de la mezcla de diferentes flores de especies de plantas. Así mismo, BerniLabs empresa productora del Biocrack, participa activamente en la inducción, transferencia y asimilación de nuevas prácticas productivas (agrícolas y acuícolas) tendientes a un uso inteligente y sostenible de los agroecosistemas con agricultores pequeños y medianos, mediante la sustitución de tecnologías con potencial contaminante por aquellas amigables con el medio ambiente.

En la búsqueda de una metodología para evaluar los aspectos ecológicos positivos de la tecnología Biocrack

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CAPÍTULO 8

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encontramos las descritas por Kovach (1992), que se realizan a través de un modelo de impacto ambiental, que esta integrado por tres componentes relacionados con los efectos de los plaguicidas sobre: a) Trabajadores de campo (especialmente en los encargados de aplicar los pesticidas y recolectores), b) Consumidores (por los residuos en los alimentos cosechados y los asociados a la contaminación de reservas de agua) y c) Aspectos Ecológicos (efectos en organismos acuáticos, abejas, pájaros e insectos benéficos). Los resultados obtenidos se presentan en términos de Cociente de Impacto Ambiental (EIQ), que es la suma de los riesgos evaluados de los tres componentes del modelo. Este modelo permite analizar de manera organizada el impacto ambiental de las moléculas que se aplican a los campos de cultivo, como ejemplo mencionaremos que la tecnología del Biocrack en comparación a los otros pesticidas, presenta valores que varían de 10 a 24 folds de menor riesgo de impacto ambiental para fauna benéfica, abejas, aves y peces. El efecto de cuidado y tracción de insectos benéficos es una cualidad del propio diseño de la tecnología de Biocrack. Este cálculo basado en EIQ mejora las condiciones ambientales al tener una herramienta que permite valorar los riesgos de los plaguicidas en los sistemas agrícolas incluyendo a los trabajadores de campo, consumidor y fauna benéfica.

La empresa BerniLabs a través de la tecnología Biocrack ha contribuido a reducir los impactos negativos de pesticidas convencionales en el medio ambiente, no solo aportando un menor riesgo de impacto ambiental (EIQ = 12.75), si no también, un aporte de equilibrio y estabilidad a cada uno de los agroecosistemas en donde Biocrack se ha aplicado. De este modo BerniLabs ha generado una disminución en la dispersión de moléculas residuales y perjudiciales al medio ambiente en una razón de 850,000 lts (Biocrack) en el periodo de 1990 a 2007. El potencial

de utilidad del producto Biocrack se ha medido a través de estudios de efectividad en 26 pruebas de campo, se ha evaluado en tesis 17 tesis y se ha generado la información de su modo de acción en mas de 26 especies de insectos y de 19 especies de cultivos; así mismo se han realizado estudios de atracción de fauna benéfica encontrando resultados positivos para mas de 10 especies de insectos benéficos, reportándose una atracción en depredadores, parasitoides y polinizadores.

Conclusiones Los infoquímicos en el MIP, son herramientas son

herramientas útiles y conocidas, respetan en alto grado la entomofauna benéfica; reduce las concentraciones de insecticidas por aplicación y alarga los intervalos entre buna y otra aplicación, contribuyendo significativamente al manejo de la resistencia; favorece el flujo de energía para una expresión genética orientada a los objetivos de producción (flores, frutos, hojas, tallos, raices, etc. y actúa bajo un criterio preventivo y son poderosos auxiliares con herramientas correctivas.

Literatura Citada

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CAPÍTULO 8

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SECCIÓN II

Biocontrol de Malezas, Insectos y Hongos

Capítulo 9

P. TAMEZ-GUERRA1, G. DAMAS1 y V. OBREGÓN-BARBOZA2. 1Fac, Ciencias Biológicas-UANL. MX. 2Cinvestav-IPN. San Pedro Zacatenco, México, DF.

Resumen

Hace siglos que se ha observado y evaluado la capacidad que tienen los microorganismos para infectar y matar insectos plaga de importancia agrícola, alimentaría y de salud, llamados entomopatógenos. En base a su eficacia y por lo mismo, su comercialización, los principales grupos de entomopatógenos lo constituyen las bacterias, hongos y baculovirus. En este capítulo se hace una recopilación de los trabajos de investigación que han concluido en la producción y comercialización de los microorganismos mencionados, haciendo énfasis en los casos en donde se apegan a agricultura sustentable en Latinoamérica, y se enlistan los productos comerciales del mercado actual de bioinsecticidas.

Bioinsecticidas para una Agricultura Sustentable con Énfasis en Latinoamérica

Bioinsecticides for a Sustainable Agriculture with Emphasis in Latin America

Abstract

The role of pathogenic microorganisms (enthomopathogenic) in infecting and killing insects of economic importance in agriculture, food industry and health, has been evaluated in the past centuries. Based upon their efficacy, bacteria, fungi and baculoviruses represent the most commercially relevant group of enthomopathogenic microorganisms. In this chapter, we cover important aspects on their production and commercialization, particularly of those products associated with sustainable agriculture in Latin-American.

Introducción

La agricultura convencional implica el uso de tecnologías y compuestos químicos que comprometen el margen de ganancia de los agricultores. En este sentido, no fue extraño que se estimulara la producción agrícola empleando sistemas alternos, según las necesidades de cultivo y región en particular. Fue como resultado a esto que a partir de los 80ʼs se empezó a hablar de “agricultura orgánica, biodinámica o ecológica”, entre otros términos. De ahí nació el término de “agricultura sustentable”, el cual agrupa a los anteriores (Gips, 1986). Los factores básicos de la agricultura sustentable son la armonía ecológica, rentabilidad económica y que se ajuste a nivel social y cultural de cada región (Rincón et al., 2006).

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Considerando lo anterior, la búsqueda de alternativas para encontrar productos insecticidas que sean ambientalmente seguros se ha enfocado en el estudio de insecticidas biológicos, a base de microorganismos o de sus productos (Menn & Hall, 1999). Actualmente, se conocen alrededor de 1500 microorganismos o productos microbianos en la naturaleza con potencial como bioinsecticidas. Dentro del grupo de bioinsecticidas se incluyen organismos multicelulares (nemátodos), unicelulares (hongos, bacterias y protozoarios), virus, productos de fermentación microbiana (Ej. Spinosad), o extractos de plantas (azaradictina) (Menn y Hall, 1999). En esta revisión nos enfocaremos en bacterias, hongos y baculovirus, haciendo énfasis en su producción y comercialización, especialmente en Latinoamérica.

Bacterias Entomopatógenas

En la naturaleza se han caracterizado alrededor de 100 diferentes especies de bacterias entomopatógenas (Faust, 1974). Sin embargo, las de mayor importancia se encuentran dentro de la familia Bacillacea y pertenecen al género Bacillus. Las ventajas que presenta el uso de bacterias como bioinsecticidas es que el precio del producto final puede competir con el de los insecticidas químicos, las formas de aplicación son muy versátiles (se pueden variar según cada necesidad), son estables dentro de los rangos de temperatura promedio para el hombre, lo cual le permite tener una vida de anaquel (almacén) aceptable, algunos pueden persistir en el suelo (como es el caso de B. popillae), y su actividad insecticida es rápida comparada con otros agentes microbianos (Miller et al., 1983).

Bacillus thuringiensis. El descubrimiento de Bacillus thuringiensis Bt se acredita a Ishiwata, quien en 1901 reportó una bacteria aislada en Thuringen, Alemania,

de un gusano de seda enfermo, y le llamó Bacillus sotto. La primera descripción válida de Bt la realizó Berliner en 1911, quien mencionó que al iniciar la esporulación iba formando una inclusión, a la cual designó como “Restkorper” o cuerpo de desecho, de forma inicialmente esférica y más tarde romboidal (Hannay & Fitz-James, 1955). El la identificó como una especie nueva y propuso el nombre de Bacillus thuringiensis (Hannay, 1956). A nivel comercial, el hallazgo más importante lo realizó Dulmage, quien en 1968 recuperó un aislado de Bt que era de 20-200 veces más potente que todas las cepas conocidas hasta entonces, al cual denominó HD-1. Esta cepa fue la primera que se produjo con fines comerciales a nivel internacional (Cerón, 2001).

Gracias a la posibilidad de producir Bt por

medio de fermentación, con un medio basal que incluye ingredientes de bajo costo, y con la identificación de cepas más virulentas y con actividad a diversas plagas de insectos, en la actualidad Bt es el insecticida microbiano más usado en el mundo. En China, para 1988 este producto era aplicado en 28 provincias y grandes ciudades para el control de insectos plagas de importancia agrícola, forestales y salud pública (Tianjian et al., 1988). Por su parte, en países sericultores, particularmente en Japón, se está produciendo una cepa altamente tóxica a larvas de Pieris rapae crucivora, Hyphantria cunea y Plutella xylostella, pero atóxica a Apis mellifera (Aizawa, 1987). Canadá es el país pionero en aplicación aérea de Bt en bosques. Por ejemplo, del total de Bt que se aplica a nivel forestal en ese país se calcula en un 95%. Las compañías americanas productoras de Bt emplean principalmente la cepa HD-1 (Bt serovar. kurstaki) para el control de lepidópteros. Cara el control de mosquitos transmisores de enfermedades, se emplea Bt serovar israelensis (Bti). Otra cepa de importancia industrial para control de

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Bioinsecticidas para Agricultura Sustentable

mosquitos es Bt serovar morrisoni (Padua et al., 1984) y es considerada de gran importancia para el control larvicida de mosquitos en Filipinas, específicamente para Anofelinos, particularmente Anopheles flavirostris (vector del paludismo) y Aedes aegypti (vector de la fiebre amarilla) (Porter et al., 1993). En la actualidad se cuenta con un gran número de productos de Bt, elaborados con aislados naturales o cepas obtenidas por recombinación o transconjugación

Bacillus sphaericus. Se emplea específicamente para el control de mosquitos de importancia en salud pública (Baumann et al., 1991), especialmente del género Culex, Anopheles y Mansonia, y sólo se ha observado actividad insecticida en algunas cepas de las aisladas (Yousten y Benfield, 1990). B. sphaericus es una bacteria cuyo nombre se debe a que la formación de la espora, induce al bacilo a tomar una figura esférica. Después de los 80ʼs, se han reportado aislamientos de B. sphaericus que producen toxinas más efectivas para el control de muchas especies de larvas de mosquitos y diversos estudios han demostrado que no causa daño a organismos no blancos en ambientes acuáticos (Mulla et al., 1984). Es por esto que B. sphaericus se está empleando actualmente para el control de vectores de enfermedades de gran importancia en la medicina, como lo son el dengue, la fiebre del Nilo, la malaria y la filariasis, entre otras (Porter et al., 1993), pero no es tóxica a larvas de mosca negra (Yousten y Benfield, 1990).

En un intento para tener un microorganismo con las ventajas de Bti y de B. sphaericus, se insertaron los genes que confieren toxicidad de Bti dentro de la secuencia genómica de B. sphaericus (Bar et al., 1998). El resultado fue una cepa con una toxicidad 10 veces mayor a Aedes aegypti (Bar et al., 1998). Como la producción

de B. sphaericus es sencilla y económica, el producto puede competir en precio con el mercado de insecticidas químicos. Estados Unidos la ha comercializado con el nombre de Spherimos® y VectoLex® por la compañía Valent Bioscience Corporation (antes Abbott) y también es la base del producto Sphaerico®, producido por una compañía brasileña (Porter et al., 1993). A la fecha no se tienen datos que confirme su comercialización. De hecho, la comercialización de productos de Bt es un claro ejemplo de globalización por las compañías Valent Bioscience y Certis.

Los productos a base de Bt antes comercializados por Mycogen y Ecogen ya no están disponibles en el mercado, después que estas compañías fueron adquiridas por Dow AgroChemical, la cual comercializa Spinosad. De igual forma, American Cyanamid fue adquirida por BASF, quien no comercializa bioinsecticidas (Tamez-Guerra et al., 2001). La compañía Biobest, N.V. fue adquirida por un consorcio de compañías establecidas en Bélgica (Compagnie du Bois Sauvage (40%), Floridienne (via Florinvest 20%) y Domaine dʼArgenteuil (40%).

En Latinoamérica, los ejemplos de productos a base de Bt producidos y comercializados son de parte de México y Colombia (PHC Beretta y Turilav). Dentro de agricultura sustentable, Cuba ha hecho el mayor esfuerzo para producir Bt para cubrir sus necesidades en laboratorios llamados CREE (Centros de Reproducción de Entomófagos y Entomopatógenos), distribuidos en todo el país (Fernández-Larrea y Vega, 1999). Ellos emplean cultivos líquidos suplidos con subproductos agrícolas o industriales, principalmente de la industria azucarera; o cultivos sólidos, con subproductos del arroz (similar a la producción de hongos) mejor adaptados a las posibilidades de la región donde se ubica el Centro Productor, con un

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costo de US $ 2-3/L con un contenido de esporas-cristales de 108 /ml (Fernández-Larrea y Vega, 1999). El método industrial se realiza en tres plantas de fermentación ubicadas en el occidente y centro del país, y se elaboran cuatro líneas de productos con el nombre genérico de thurisav, para el control de lepidópteros y ácaros principalmente (Fernández-Larrea y Vega, 1999).

Paenibacillus popilliae. Fue la primera bacteria entomopatógena aislada y registrada en Estados Unidos, como resultado de la investigación realizada por Samuel Dutky con larvas de gallina ciega (Popillia japonica), en los años cuarentas. Este insecto, en su estado de larva se alimenta de las raíces de cultivos, causando pérdidas agronómicas de gran importancia. P. popilliae se aísla fácilmente de larvas infectadas naturalmente, que presenten la sintomatología típica de la enfermedad (cuerpo lechoso). P. popilliae es un patógeno obligado que se desarrolla en la hemolinfa de los insectos, causando la enfermedad conocida como “milky disease” o enfermedad lechosa. De forma similar a como ocurre con los baculovirus, durante el período de infección e invasión de los tejidos de la larva, esta sigue activa y alimentándose hasta la muerte (Zhang et al., 1997). La relevancia de esto es que la cantidad de esporas-cristales que se producen por larva (que pueden llegar hasta 109/g) permiten que la enfermedad se disemine de forma eficiente. Inicialmente, la producción se realizaba por medio de recolección de larvas infectadas en campo, similar a la producción in vivo de baculovirus. En base a este método de producción, se comercializaron dos productos para control de gallina ciega: Doom® y Japademic® y la presentación del producto era en granulado, para su aplicación en suelo (Beegle, 1979).

Tiene como ventaja que no se requieren hacer aplicaciones continuas para obtener un control adecuado,

ya que el complejo esporas-cristales permanece en suelo estable y en cantidades adecuadas. P. popillae ha controlado exitosamente al escarabajo japonés del suelo Popillia japonica en EUA (Shannon, 1996). Las esporas persisten en el suelo y pueden reinfectar las larvas de escarabajos por muchos años. Esta ventaja dentro del control de plagas e interesante dentro de su aplicación en agricultura sustentable, es una desventaja desde el punto de vista comercial y ecológico. Algunas preparaciones comerciales no son específicas para larvas de P. japonica y resulta ineficacia para el control de las especies de Phyllophaga. Por esto, el asilamiento, selección y diseminación de cepas nativas de B. popilliae, en pequeña escala, con larvas infectadas por cepas nativas, es una excelente opción. Las larvas enfermas producen en promedio 2,5x1010 esporas/larva (en P. menetriesi y P. elenans). Se requieren 16 larvas para cubrir 400m2 con una dosis equivalente a 1x1013 esporas/ha. Estas se homogeneizan en agua y la suspensión se aplica por aspersión (Shannon, 1996).

Hongos Entomopatógenos

Los hongos entomopatógenos se encuentran dentro de la división Eumycota (hongos miceliales) y en las subdivisiones: Zygomycotina, Deuteromycotina, Ascomycotina, Basidiomycotina y Mastygomycotina (Tanada y Kaya, 1993). Son organismos heterótrofos, y se ha encontrado que infectan a todas las órdenes de insectos, la mayoría son Himenoptera, Diptera, Ortoptera, Lepidoptera, Coleoptera y Hemiptera (Ferron et al., 1973; Tanada & Kaya, 1993). Se conocen aproximadamente 700 especies de hongos entomopatógenos, y alrededor de 100 géneros. Dentro de los más importantes se encuentran: Metarhizium sp., Beauveria sp., Aschersonia sp., Entomopthora sp., Zoophthora sp., Erynia sp., Eryniopsis sp., Akanthomyces spp, Fusarium spp, Hirsutella sp,

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Hymenostilbe sp., Paecelomyces sp. y Verticilliun sp., pertenecientes a la clase Zygomycetes e Hyphomycetes (López-Llorca y Hans-Börje, 2001).

Los hongos poseen características bioinsecticidas por su alto poder patogénico y capacidad de producir epizootias; sin embargo, su producción a escala industrial presenta algunos inconvenientes que han limitado el desarrollo de estos organismos con amplias posibilidades entomopatogénicas y antagonistas, pero esto no es un problema para su empleo en agricultura sustentable (Fernández-Larrea y Vega, 1996). En general, el desarrollo de la infección por el hongo presenta las siguientes fases: adhesión y germinación, penetración del integumento y desarrollo del patógeno, culminando con la muerte del insecto. Existe una amplia gamma de productos que se comercializan a nivel mundial basados en hongos entomopatógenos, usados para el control de diversas plagas, pero las especies más empleadas son Beauveria y Metarhizium. Los avances alcanzados con estos bioinsecticidas han sido gracias a las investigaciones, fundamentalmente en el área de la producción masiva y formulación, así como en la estabilidad en almacenamiento (Butt y Copping, 2000).

Producción de hongos entomopatógenos en Latinoamérica. El énfasis en señalar la producción de hongos entomopatógenos en Latinoamérica es que, dadas las condiciones geográficas y de clima, la efectividad de este tipo de bio-insecticidas ha tenido una gran aceptación, especialmente en agricultura orgánica. Entre los países latinoamericanos que destacan en cuanto a producción de hongos entomopatógenos como bioinsecticidas son Colombia, Brasil, México, Venezuela y Cuba, siendo los primeros dos países los que llevan a cabo la mayor producción (Lecuona, 2002).

En México, la colección más importante de hongos entomopatógenos la conserva el Centro Nacional de Referencia de Control Biológico (CNRCB) el cual se inició en 1991 y actualmente es el banco de germoplasma de hongos entomopatógenos más grande de México y su valor científico es parte del avance que en materia de control microbiano se ha desarrollado en los últimos años. Conjuntamente con el CNRCB, el Departamento de Entomopatógenos de la Dirección General de Sanidad Vegetal coordina los programas de control microbiano sobre insectos plaga tales como: langosta (Schistocerca piceifrons), pulgones en cítricos, gallina ciega (Phyllophaga spp.), mosquita blanca en hortalizas (Bemisia spp) y mosca pinta (Aenoloamia spp.) en caña de azúcar, desarrollando estudios con los hongos Metarhizium anisopliae var. acridum (flavoviride), Verticillium lecanii y Paecilomyces fumosoroseus (SENASICA, 2007). Promueve, además, el establecimiento de colecciones de referencia y conserva en la actualidad 319 aislamientos de Metarhizium, Beauveria, Paecilomyces, Verticillium, Aschersonia e Hirsutella, obtenidos de diversos huéspedes y localidades del país y del extranjero (SENASICA, 2007).

La práctica del control de plagas con hongos entomopatógenos lleva más de 30 años en las diferentes localidades de Brasil, donde se produce a mediana y gran escala. Las empresas brasileñas tienen un costo final de producción entre 6 y 8 dólares/Kg o litro de producto, siendo el 60% del costo empleado en mano de obra y gastos fijos y un margen de ganancia del 10% (Leite et al., 2002). En Chile, los hongos que más se utilizan como control biológico son del género Metarhizium y Beauveria. Estas especies se utilizan con gran éxito en el control de numerosas plagas en cultivos como frambuesas y árboles frutales. Actualmente, se cuenta con un programa de prospección de hongos entomopatógenos nativos del país,

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por lo que se cuenta con una colección de más de 800 aislamientos de diferentes especies (Agroecología, 2006).

El laboratorio de Control Biológico de Uruguay lleva a cabo muestreos permanentes para la obtención de aislamientos de hongos patógenos de insectos en las principales plagas de la agricultura, a partir de insectos enfermos encontrados en los campos se obtienen las especie de hongos entomopatógenos que se formulan como bioinsecticidas (Agroecología, 2006). Esto es indicador de que en Uruguay existe una presencia natural de estos organismos, muy variada y que podrían ser fuente de una amplia gama de alternativas de control para plagas de importancia. A continuación se presentarán algunos ejemplos específicos de uso de hongos de mayor importancia.

Metarhizium anisopliae. El primer reporte de producción a escala de un hongo entomopatógeno fue en 1884 en Ucrania, donde Metschnikoff y Krassilstchik desarrollaron la primer Biofábrica de producción del hongo M. anisopliae, produciendo 55 Kg del hongo para el control de larvas de Cleonus punctiventris, el gorgojo de la remolacha azucarera, obteniendo muy buenos resultados al mostrar hasta un 80% de mortalidad del bioinsecticida sobre el insecto plaga (Lord, 2005).

En 1986, Alves reportó que M. anisopliae ataca naturalmente más de 300 especies de insectos, de los diferentes órdenes, considerados como plagas importantes (Lecuona, 1996). En México, se produce de forma masiva para el control de la mosca pinta de los pastos. Hasta hoy, se tienen 22 aislamientos conservados en la colección y se aplica en caña de azúcar en Veracruz, San Luís Potosí, Oaxaca y Colima. Se ha logrado el desarrollo de programas de control microbiano en el Ingenio Tres Valles, Veracruz

y en el Occidente del País (SENASICA, 2007).

En Venezuela, M. anisopliae se ha usado eficazmente en el control de diversas plagas. En el 2005 se trataron alrededor de 2 mil hectáreas de frutales (arándanos, vides y frambuesas, entre otros) con formulados a base de este hongo, además de lo usado en viveros. Hasta hoy, se cuenta con 14 cepas distintas con un índice de mortalidad variable del 1 al 80%. Las aplicación logra 100% de repelencia del chanchito blanco de los frutales (Pseudococcus viburni), 70% de control de la cuncunilla negra de las empastadas y 50-60% de control de plagas subterráneas de difícil accesibilidad, como son los gusanos blancos del genero Scarabeidae y el burrito de la vid (Naupactus xanthographus). También se cuenta con aislamientos para el control del cabrito de la frambuesa (Aegorhinus superciliosus), del capachito de los frutales (Pantomorus cervinus), del gorgojo de los invernaderos (Otiorhynchus sulcatus), las larvas de pololo verde (Hylamorpha elegans), el pololo café y el dorado (Phytoloema Herman y Phytoloema mutabilis) (Agroecología, 2006). En Brasil, M. anisopliae se aplica en 200.000 ha/año en cultivos de caña de azúcar y pasturas para el control de Mahanarva fimbriolata, M. posticata, Deois spp., y Zulia spp. (Leucona, 2002).

En Cuba se aplica con mucho éxito para el control del picudito acuático del arroz. Se produce de forma artesanal sobre materiales sólidos, principalmente desechos y sub-productos agrícolas, como la cabecilla y paja de arroz. Después del secado del material sólido, se aplica en forma de granulado o se resuspenden los conidios en agua, separándolos del soporte sólido. Esta suspensión debe aplicarse en un periodo no mayor de 4 horas para evitar la germinación de los conidios y la pérdida de su efectividad. Se almacena a 20°C en seco hasta 3 meses

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(Fernández-Larrea & Vega, 1996).

Beauveria bassiana. En Colombia, la mayor producción de bioinsecticidas a base de hongos esta dirigida a la formulación de B. bassiana para el control del barrenador del café, Hypothenemus hampei, pero también se aplica para el control de plagas de otros cultivos, jardines para la producción de flores, árboles frutales, pasturas, etc. (Lecuona, 2002). Actualmente, existen alrededor de 11 compañías que ofrecen más de 16 bioinsecticidas a base de B. bassiana, gracias a convenios gubernamentales y empresas privadas cafeteras, desde 1986, se cuenta con un programa de control de calidad, que incluye la capacitación de los agricultores para el manejo y la producción local del hongo, así como las distintas estrategias del MIP (Flórez, 2002). En Brasil, B. bassiana se aplica para el control de diversas plagas, entre ellas el barrenador del café, H. hampei, que ocasiona grandes pérdidas en este tipo de cultivo (Lecuona, 2002).

En Cuba, los productos de B. bassiana se emplean principalmente en el cultivo del plátano contra el picudo negro, en el boniato para controlar el tetúan y en cítricos contra el picudo verde azul. El hongo de B. bassiana se reproduce en los biolaboratorios o CREE, mediante cultivo sobre soporte sólido o bien por fermentación. El cultivo en soporte sólido emplea cabecilla de arroz o bagacillo de caña para su producción, obteniendo productos sólidos-secos, así como líquidos, los primeros se conservan por tres meses a temperaturas entre 4-10 °C, mientras que los productos líquidos, que utilizan sub-productos de la industria azucarera, no pueden almacenarse por más de quince días y deben mantenerse también, en refrigeración. Estas condiciones de almacenamiento, es una limitante para el agricultor que en muchas ocasiones no cuenta con equipo de refrigeración adecuado. Por fermentación, se obtienen

preparados en polvo y en pasta, esta última aunque muy eficaz también tiene tiempos de almacenamiento limitados (Fernández-Larrea y Vega, 1996).

Verticillium lecanii. Este hongo infecta insectos del orden Coleoptera, Diptera y Hymenoptera. También se ha reportado en ácaros, áfidos y escamas en las regiones tropicales y subtropicales. En Cuba, la especie de V. lecanii es utilizada en el control de plagas de homópteros y dípteros en los cultivos de tomate y fríjol, ya que tiene la capacidad de producir epizootias si las condiciones de humedad y temperatura le son favorables. De igual manera, se ha aplicado con éxito en el control de garrapatas en el ganado y otros animales afectivos. La producción es mediante métodos artesanales sobre soporte sólido y en medios líquidos, los cuales se preparan a partir de desechos y subproductos de la industria azucarera y agrícola. Los productos sólidos se mantienen hasta 3 meses a temperaturas entre 10-20°C, mientras que los productos líquidos no pueden almacenarse por más de 15 días en refrigeración (Fernández-Larrea y Vega, 1996).

Paecilomyces sp. El género de Paecilomyces spp posee diversas especies entomopatogénicas, siendo las más frecuentes P. farinosus, P. tenuipes y P. fumosoroseus. Ha sido observado sobre Lepidópteros, Coleópteros y Orthópteros (Fragas, et al, 2005).

Paecilomyces lilacinus, es un hongo con efecto nematicida muy efectivo en el control de Meloidogyne en los cultivos de café, guayaba y plátano entre otros. Se reproduce sobre soporte sólido, principalmente cascarilla de arroz, pero se puede producir por fermentación sólida en otros soportes disponibles de la región donde se ubica el laboratorio. Por cultivo sumergido se obtienen toxinas con muy buen efecto cuando se aplican en bolsas de trasplantes

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y en semilleros. Se ha empleado también en el tratamiento de vitroplantas de plátano. Su aplicación se realiza principalmente en el hoyo de siembra. Los productos sólidos se almacenan hasta tres meses a 10-15°C, mientras que las formas líquidas pueden ser empleadas por 1 a 2 meses, si se mantienen en refrigeración entre 4-10°C (Fernández-Larrea y Vega, 1996).

Trichoderma spp. Las especies de Trichoderma son antagonistas de otros microorganismos que causan enfermedades en cultivos de importancia económica. Se emplean principalmente en el control de enfermedades fungosas del suelo. Su aplicación al suelo de forma preventiva en semilleros y diferentes etapas de los cultivos reduce la aparición de enfermedades provocadas por hongos en cultivos de tabaco, pimiento y tomate. Se produce en los CREE por métodos artesanales mediante las tres alternativas: sólido, líquido estático y bifásico. Se emplean sub-productos de la industria azucarera y como soporte sólido se usan materiales celulósicos atendiendo a la alta capacidad celulólitica de estas especies. La aplicación en forma líquida se ha empleado con eficacia en hidropónicos y organopónicos para los cultivos de pimiento y tomate. El almacenamiento de los productos sólidos después de secos puede llegar a 4 meses a temperaturas inferiores a 25°C. Los líquidos son estables hasta 1 mes en iguales condiciones (Fernández-Larrea y Vega, 1996).

Baculovirus. Son el principal grupo de virus entomopatógenos que se aplican como agentes de control microbiano. Los baculovirus (Bv) han sido aislados exclusivamente de artrópodos. Estos virus infectan principalmente insectos del orden Lepidoptera que incluyen importantes plagas agrícolas, y en menor grado insectos pertenecientes a los ordenes Hymenoptera y Diptera, y crustáceos del orden Decapoda (Blissard, et

al., 2000). Una de las principales características de los Bv es la formación de estructuras cristalinas en las células infectadas, denominadas cuerpo de oclusión (COʼs), al final de su ciclo biológico (Ibarra y del Rincón, 2001). Los COʼs son estructuras de naturaleza proteica que contienen a los viriones o unidades infectivas, y son responsables de la sobrevivencia de los virus en el ambiente, así como de la dispersión de la infección entre hospederos (Cory y Myers, 2003). Estas estructuras son muy estables y los viriones protegidos pueden permanecer viables en la naturaleza por más de 20 años (Szewczyk et al., 2006).

Los miembros de la familia Baculoviridae se clasifican en dos géneros: el Nucleopolyhedrovirus (NPVs) quienes forman COʼs poliédricos (poliedros) (Rohrmann, 1999) y los Granulovirus (GVs), los cuales típicamente producen COʼs ovales (gránulos) (Winstanley y OʼReilly, 1999). En general, el rango de hospederos de la mayoría de los NPVʼs está restringido a una o pocas especies, dentro de un mismo género o familia. Sin embargo, existen algunas excepciones como el NPV múltiple de Autographa californica (AcMNPV), el cual infecta más de 39 especies pertenecientes a 10 familias del orden Lepidoptera; y el NPV de Anagrapha falcifera (AfNPV) que infecta a más de 31 especies de lepidópteros de 10 familias; y el NPV múltiple de Mamestra brassicae (MbMNPV), que infecta a 32 especies, dentro de cuatro familias (Gröner, 1986; Hostetter y Puttler, 1991). En la naturaleza, los COʼs son comúnmente encontrados en el suelo y en la superficie de las hojas de plantas. Para la transmisión de insecto a insecto, los BVs pueden ser transmitidos verticalmente dentro de los huevecillos (transmisión trans-ovárica), u horizontalmente, vía contaminación del alimento ó de la superficie de los huevecillos (Blissard et al., 2000). Hacia el final de la infección, las larvas moribundas de muchos lepidópteros exhiben un incremento en su

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los Estados Unidos de Norteamérica el primer insecticida a base de Bv, ElcarTM

, para el

control de una plaga del algodón (Ignoffo y Couch, 1981). En la actualidad existen más de 20

productos a base de baculovirus, algunos de los cuales ya han sido comercializados y otros

solamente han sido registrados por los países que los producen (Carter, 1984). En América

Latina, los países que más utilizan bioinsecticidas virales son Brasil, Guatemala y Argentina.

Nucleopoliedrovirus de Heliothis zea (HzNPV). Las larvas de los noctuídos que pertenecen

a los géneros Helicoverpa y Heliothis, son consideradas como, plagas de importancia a nivel

mundial, debido a que atacan a más de 60 cultivos, incluyendo maíz, sorgo, soya, garbanzo,

algodón, tabaco y tomate. Las especies más importantes son Heliothis virescens, Helicoverpa

zea, Helicoverpa armigera, Helicoverpa punctigera y Helicoverpa assulta (Moscardi, 1999).

Debido a la importancia económica de la plaga, el NPVHz fue el primer baculovirus

desarrollado comercialmente en los Estados Unidos para su control en algodón bajo el

nombre de ElcarTM

(Ignoffo, 1973). Para el control efectivo de la plaga se emplean dosis de

10 x 1010

CO’s/0.4 ha, para infestaciones de bajas a moderadas, y 45 x 1010

CO’s/0.4 ha para

infestaciones fuertes (Ignoffo y Couch, 1981).

Nucleopolierovirus de Spodoptera exigua (SeNPV). El desarrollo de resistencia a la mayoría

de los insecticidas químicos, y los elevados costos de los daños ocasionados a los cultivos por

S. exigua, impulsaron la evaluación del SeNPV como un bioinsecticida. SPOD-X fue

desarrollado en los Estados Unidos mediante una colaboración entre Crop Genetics

Internacional (CGI) y DuPont (Federici, 1998). En 1994, CGI comercializó SPOD-XTM

en

Holanda, para el control de plagas en flores y plantas ornamentales de invernadero, y en el

Sureste Asiático para el control de cultivos vegetales. En 1995, CGI se fusionó con Certis y

comercializó SPOD-XTM

en los Estados Unidos. En Guatemala, Agrícola El Sol comercializó

el VPN82 a base del NPV de S. sunia, para el control S. sunia y S. exigua en vegetales

(Moscardi, 1999). Para un control efectivo en campo en cultivos de lechuga o en crisantemos

de invernadero se aplica a tasas de 2 a 4 x 1012

CO’s/ha (Gelernter 1986). En Brasil se utiliza

el SfNPV para el control en maíz (Valicente y Cruz, 1991). Se produce en larvas de S.

Figura 1. Vista de una larva de Trichoplusia ni muerta por un TnGV


actividad locomotora que es activado por la luz (Kamita et al., 2005), por lo que migran hacia las partes altas de la planta hospedera y mueren colgadas cabeza abajo sosteniéndose solamente con las propatas en una posición de “V” invertida, característica de las larvas infectadas por Bv (Figura 1) (Sciocco de Cap, 2001).

Uno de los primeros reportes de la aplicación de un Bv a escala operacional, fue la introducción de un NPV para el control de la palomilla monja, Lymantria monacha, que ocasionaba severos daños en un bosque de pinos en Alemania en 1892. Sin embargo, en aquella época se pensó que el agente causal era la bacteria de Hofmann (Huber, 1986). En 1930 en Canadá se introdujo accidentalmente el NPV de Diprion hercyniae (HtgNPV), para el control de la mosca aserradora del abeto (Cherry y Williams, 2001). En 1975 se registró en los Estados Unidos de Norteamérica el primer insecticida a base de Bv, ElcarTM, para el control de una plaga del algodón (Ignoffo y Couch, 1981). En la actualidad existen más de 20 productos a base de baculovirus, algunos de los cuales ya han sido comercializados y otros solamente han sido registrados por los países que los producen (Carter, 1984). En América Latina, los países que más utilizan bioinsecticidas virales son Brasil, Guatemala y Argentina.

Nucleopoliedrovirus de Heliothis zea (HzNPV). Las larvas de los noctuídos que pertenecen a los géneros Helicoverpa y Heliothis, son consideradas como, plagas de importancia a nivel mundial, debido a que atacan a más de 60 cultivos, incluyendo maíz, sorgo, soya, garbanzo, algodón, tabaco y tomate. Las especies más importantes son Heliothis virescens, Helicoverpa zea, Helicoverpa armigera, Helicoverpa punctigera y Helicoverpa assulta (Moscardi, 1999). Debido a la importancia económica de la plaga, el NPVHz fue el primer baculovirus desarrollado

comercialmente en los Estados Unidos para su control en algodón bajo el nombre de ElcarTM (Ignoffo, 1973). Para el control efectivo de la plaga se emplean dosis de 10 x 1010 COʼs/0.4 ha, para infestaciones de bajas a moderadas, y 45 x 1010 COʼs/0.4 ha para infestaciones fuertes (Ignoffo y Couch, 1981).

Nucleopolierovirus de Spodoptera exigua (SeNPV). El desarrollo de resistencia a la mayoría de los insecticidas químicos, y los elevados costos de los daños ocasionados a los cultivos por S. exigua, impulsaron la evaluación del SeNPV como un bioinsecticida. SPOD-X fue desarrollado en los Estados Unidos mediante una colaboración entre Crop Genetics Internacional (CGI) y DuPont (Federici, 1998). En 1994, CGI comercializó SPOD-XTM en Holanda, para el control de plagas en flores y plantas ornamentales de invernadero, y en el Sureste Asiático para el control de cultivos vegetales. En 1995, CGI se fusionó con Certis y comercializó SPOD-XTM 127


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en los Estados Unidos. En Guatemala, Agrícola El Sol comercializó el VPN82 a base del NPV de S. sunia, para el control S. sunia y S. exigua en vegetales (Moscardi, 1999). Para un control efectivo en campo en cultivos de lechuga o en crisantemos de invernadero se aplica a tasas de 2 a 4 x 1012 COʼs/ha (Gelernter 1986). En Brasil se utiliza el SfNPV para el control en maíz (Valicente y Cruz, 1991). Se produce en larvas de S. frugiperda en dieta artificial, y se aplica a tasa de 2.5 x 1011 COʼs/ha contra larvas de segundo estadio (Moscardi, 1999). En México se ha evaluado a una tasa de 3 x 1012 COʼs/ha. En España se realizan dos aplicaciones a intervalos de 7 días, a una tasa de 5 x 108 COʼs/L en un volumen de 600 L/ha (Lasa et al., 2007).

Granulovirus de Cydia pomonella (CpGV). Una de las plagas más importantes que ataca cultivos de manzana a nivel mundial es la palomilla del manzano, Cydia pomonella. El único virus desarrollado para el control de esta importante plaga es el granulovirus de C. pomonella (CpGV). Las formulaciones a base del CpGV se comercializan en Francia (Carpovirusine®), Suiza (Madex®), Alemania (Granusal®) y Rusia (Virin-CyAp) (Moscardi, 1999, Cuadro 3). Se ha logrado un control efectivo cuando el virus es aplicado a tasas de 1013 gránulos/0.4 ha. En California, el control efectivo requiere de un tratamiento por semana, durante un periodo de 10 semanas. En países de climas más fríos, usualmente se requieren tres tratamientos por estación, para lograr un control efectivo de la plaga. (Federico, 1998). En el 2000, Argentina registró Carpovirus®. En el 2002 se iniciaron los trámites de registro de una nueva presentación del producto Carpovirus® Plus. La formulación ha sido evaluada en 300 ha de montes comerciales de peras y manzanas en el Alto Valle de Río Negro y 50 ha de nogal en zonas productoras de La Rioja y Catamarca, con un

efectivo control de la plaga (Lecuona, 2002).

Nucleopoliedrovirus múltiple de Autographa califronica (AcMNPV). Como ya se mencionó, una de las principales ventajas de este NPV es que presenta un rango de hospederos más amplio, pero restringido a lepidópteros, lo cual lo hace más atractivo para su comercialización. AcMNPV es infectivo a importantes plagas a nivel mundial como Heliothis, Sopdoptera y Tricholusia (Cunningham, 1995). En la década de los 70 se realizaron varias pruebas de campo con AcMNPV y el NPV de Trichoplusia ni (TnNPV), aplicándolos en mezcla o por separado. Vail y cols. (1971) reportaron una disminución de las poblaciones del falso medidor, comparables a las obtenidas con insecticidas químicos; cuando se realizaron aplicaciones a tasas de 8.9 x 1011 COʼs/ha. El AcMNPV fue registrado en los Estados Unidos por Certis en 1994, con el nombre de Gusano, para el control de T. ni. Existen reportes de aplicaciones de AcMNPV en miles de hectáreas de cultivos de repollo y brócoli a nivel experimental y comercial en América Central (Hunter-Fujita et al., 1998). Sin embargo, la única formulación en América Latina, es el VPN80, registrado en Guatemala por la Empresa Agrícola El Sol.

Nucleopoliedrovirus de Lymantria dispar (LdNPV). La palomilla gitana, Lymantria dispar, es una importante plaga periódica de árboles perennes en el hemisferio norte. Las poblaciones de insectos se presentan de forma cíclica, pero las larvas son capaces de defoliar totalmente cientos de kilómetros de bosques en muchas áreas de los Estados Unidos, Canadá, Europa y Rusia. El Servicio Forestal de los Estados Unidos, desarrolló y registró un producto conocido como Gypcheck, el cual contiene como su ingrediente activo al LdMNPV, un virus que es altamente especifico para la larva de la palomilla gitana (Federici, 1998). El uso de Gypcheck da niveles

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aceptables de protección cuando es asperjado a tasas de 1011 COʼs/0.4 ha (Lewis, 1981).

3.6 Nucleopoliedrovirus de Neodiprion sertifer (NSeNPV). La mosca aserradora del abeto, Neodiprion sertifer, es la principal plaga de bosques de pino en los Estados Unidos, Canadá y Europa. Debido a su importancia, este NPV se ha investigado con más atención como agente de biocontrol en sistemas forestales. Este NPV se registró en los Estados Unidos y Canadá por las respectivas Agencias de Servicio Forestal. Experimentos de campo con el NSeNPV han demostrado que se puede obtener un muy buen control cuando el virus es aplicado a tasas de 5 a 9 x 109 COʼs/0.4 ha, en infestaciones moderadas, y a 1010 COʼs/0.4 ha en infestaciones más altas (Cunningham y Entwistle, 1981).

Nucleopoliedrovirus de Anticarsia gemmatalis (AgNPV). Hace 20 años se inició en Brasil un programa piloto para la aplicación del NPV del gusano aterciopelado de la soya, Anticarsia gemmatalis (AgMNPV), para su control en el cultivo de soya. Inicialmente la producción y formulación de AgMNPV estuvo a cargo de una unidad de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (EMBRAPA), localizada en Londrina, Estado de Paraná. En la década de los 90, la superficie tratada con AgMNPV llegó a 1,000, 000 ha debido al desarrollo de una formulación en polvo humectable en 1983 y a la transferencia en 1990 de esta tecnología al sector privado (Moscardi, 1999). Actualmente, se aplican en más de 2, 000,000 ha (Szewczyk et al., 2006). Esto ha traído como consecuencia beneficios a nivel económico, ecológico y social. La aplicación del virus ha evitado que más de 17 millones de litros de insecticidas químicos sean aplicados a los cultivos de soya, lo cual ha redituado en considerables beneficios ambientales (Moscardi et al., 2002).

Conclusiones

La producción y comercialización de bioinsecticidas a base de bacterias, hongos y baculovirus entomopatógenos ha venido creciendo en el campo de la agricultura sustentable. Su incremento en Latinoamérica, especialmente en el caso de los hongos, se ha dado gracias a que su producción se puede realizar por métodos alternativos fáciles de implementar y que implican bajos costos de inversión. Otro factor que ha impactado ha sido el crecimiento de áreas de cultivos orgánicos. De cualquier forma, la globalización del mercado para el caso de ciertas bacterias se ha venido incrementando de forma gradual (ej. Bt), no así para el caso de hongos y baculovirus, los cuales se pueden producir de forma artesanal. Todo esto permite que se espere un incremento de la producción y aplicación de estos bioinsecticidas en agricultura orgánica.

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SECCIÓN II


Capítulo 10

J. MEDAL Y N. BUSTAMANTE. University of Florida, Department of Entomology and Nematology, PO Box 110620. Gainesville, Florida 3266, USA.

Resumen

Las malezas o plantas invasoras pueden llegar a causar pérdidas considerables en los rendimientos de los cultivos agrícolas, en los sistemas silvopastoriles, y una reducción en la biodiversidad de plantas y animales en las áreas de conservación. Las pérdidas en las cosechas para la región latinoamericana han sido estimadas entre un 20 a 30%, cifras que pueden llegar a ser aún más elevadas en ciertas regiones latinoamericanas. Las prácticas de manejo de malezas más comúnmente utilizadas en los cultivos agrícolas de la región incluyen la remoción manual, la utilización de maquinaria o herramientas mecánicas como el azadón entre otros, y el uso de herbicidas químicos. El control biológico de malezas usando insectos y

El Control Biológico de Malezas en Latinoamérica: Situación Actual y Perspectivas Futuras

Biological Control of Weeds in Latin America: Actual Situation and Future Trends

patógenos, ha sido principalmente utilizado en los países más desarrollados incluyendo Australia, Estados Unidos, África del Sur, Nueva Zelanda, y Canadá, especialmente en áreas de pastoreo, cuerpos de agua, y en áreas de conservación de la biodiversidad. El control biológico de malezas ha sido muy poco practicado en Latinoamérica principalmente debido a la falta de recursos humanos entrenados en esta disciplina.

Chile puede ser considerado como el país pionero en la región donde la practica del control biológico de malezas fue iniciadas en 1952 contra la maleza no nativa Hypericum perforatum L., con la cual han logrado un excelente control. Otros países donde se están llevando a cabo algunas actividades de control biológico de malezas incluyen Brasil, Argentina, México, Honduras, y Nicaragua recientemente. Los éxitos que han sido logrados utilizando el control biológico de malezas en los países más desarrollados arriba mencionados podrían ser implementados en la región latinoamericana. Varias de las malezas más invasoras en la región, incluyen Cyperus rotundus L., Amaranthus spinosus L., Rottboellia cochinchinesis (Lour), y Portulaca oleracea L. entre otras. Estas malezas pueden ser blancos adecuados para la utilización del control biológico, ya sea clásico o importación de agentes de control desde el área de origen de la maleza problema, debido a que no son nativas de la región y causan daños considerables a la agricultura lo

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que viene a justificar los costos de investigación o de su implementación. Por otro lado, los costos pueden reducirse considerablemente si se utiliza lo que se conoce como la ʻruta corta ̓ o el uso de medidas o agentes de control biológico que ya ha sido utilizado con éxito en otros países o regiones. En conclusión, el control biológico de malezas utilizando insectos y/o patógenos puede llegar a ser una alternativa efectiva, segura, y de relativo bajo costo para el control de las malezas más problemáticas de la región latinoamericana.

Abstract

Invasive plants or weeds can cause considerable loss of yield to cultivated agriculture, wild pastures, and also lead to a reduction in the biodiversity of plants and animals in conservation areas. The loss in crops in Latin America has been estimated at between 20 to 30% with figures even higher in certain regions. The most common practices for weed control used in agriculture in Latin America include manual removal, the use of machines or tools such as hoes among others, and the use of chemical herbicides. Biological control of weeds using insects and pathogens has been principally used in the more developed countries including Australia, United States, South Africa, New Zealand and Canada, especially in pastures, bodies of water and in biodiversity conservation areas. The biological control of weeds has not been practiced extensively in Latin America principally due to the lack of trained personnel.

Chile can be considered a pioneer country in Latin

America in the area of biological control of weeds where this practice was initiated in 1952 to control the non-native weed Hypericum perforatum L., with excellent success. Other countries where some activity in biological weed

control has taken place include Brazil, Argentina, Mexico, Honduras, and recently Nicaragua. The successes that have been achieved utilizing biological control of weeds in the developed countries mentioned above could be implemented in Latin America. Many of the more invasive weeds of the region, including incluyen Cyperus rotundus L., Amaranthus spinosus L., Rottboellia cochinchinesis (Lour), y Portulaca oleracea L., among others, could be controlled adequately using biological control. Whether classical control or importation of control agents from the area of the weed problem, due to the absence of native controls in the targeted area, the considerable damage to agriculture could justify the costs of investigation and implementation. On the other hand, the costs could be reduced considerably if previously successful techniques and biological control agents used in other countries and regions were used. In conclusion, the biological control of weeds utilizing insects and pathogens can be an effective and secure alternative at relatively low cost for the control of the most problematic weeds in the Latin American region

Introducción

Existen muchas definiciones de ʻmalezaʼ, una muy sencilla es ʻuna planta creciendo fuera de lugar ̓ o en una situación donde no se quiere que esté presente. Es bien conocido que las malezas sino se controlan puede ocasionar pérdidas significativas en la producción de los cultivos agrícolas y una disminución de la biodiversidad de plantas y animales. Se ha estimado que las pérdidas en las cosechas pueden alcanzar un 20-30% y aún más en la región latinoamericana. La eliminación manual y los herbicidas son las prácticas de manejo de malezas más usadas en los cultivos agrícolas de la región. El control biológico de malezas usando insectos y patógenos, ha sido

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Control Biológico de Malezas

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principalmente utilizado en los países más desarrollados incluyendo Australia, Estados Unidos, África del Sur, Nueva Zelandia, y Canadá, especialmente en áreas de pastoreo, cuerpos de agua, y en áreas de conservación de la biodiversidad. DeLoach (1997) define el control biológico de malezas “como el uso planeado de organismos no domesticados (usualmente insectos o patógenos de plantas) para reducir el vigor, la capacidad reproductiva, o densidad de las malezas”. El control biológico no es “una varita mágica” o la única solución para controlar las malezas, además de que tiene sus riesgos involucrados.

El control biológico de malezas tiene como finalidad reducir la población de la maleza debajo de un nivel que no cause daño económico, y no pretende su erradicación. Entre las ventajas del control biológico de malezas se pueden mencionar: es altamente específico para el control de una maleza en particular, tiene poco o ningún impacto negativo sobre organismos no blancos, no contamina el ambiente, es relativamente económico, y provee un control permanente y sustentable cuando funciona. Entre las desventajas del control biológico de malezas con insectos se pueden mencionar: es difícil de predecir si va a funcionar, y aunque los insectos introducidos logren establecerse en el campo, puede ser que su efecto no sea suficiente para lograr el control deseado.

Según DeLoach (1997), existen varios factores que hacen el control biológico con insectos aún más difícil en cultivos de hileras. Primero, las alteraciones del campo debido a las actividades relacionadas con la siembra, laboreo, y aplicaciones de plaguicidas no contribuyen o favorecen el establecimiento del agente de control. Segundo, la presencia simultánea de varias malezas requiere varios agentes para su control. Finalmente, se requiere un control rápido de las malezas (usualmente dentro de un mes

después de la siembra del cultivo) para prevenir el daño al cultivo. Por las razones antes indicadas es difícil que una población de insectos liberados llegue a alcanzar los niveles altos requeridos para poder controlar la maleza durante un ciclo del cultivo. El uso de patógenos formulados como bioherbicidas pueden ser más apropiados y efectivos para el control de malezas en cultivos de hileras en situaciones altamente alteradas por las actividades de mantenimiento del cultivo durante su ciclo de crecimiento.

Charudattan y DeLoach (1988) hacen una revisión de los problemas y oportunidades relacionadas con el control biológico de malezas usando insectos y patógenos. Las perspectivas y limitaciones para el control biológico de malezas en Latinoamérica usando insectos ha sido revisado brevemente por Medal (2001), y más recientemente Medal (2004), Medal y Martínez (2007) hicieron una revisión que no pretendió ser exhaustiva, donde señalaban algunas de las principales limitaciones para el control biológico de malezas en Latinoamérica. En éste capítulo se revisan algunos programas de control biológico de malezas que se han llevado a cabo y otros que están actualmente siendo desarrollados. Se discuten la situación actual y cuales son las perspectivas futuras para la región en éste campo, haciendo énfasis en la utilización de insectos para el control biológico de malezas no nativas que han sido introducidas de otras regiones del mundo.

Importaciones de bioagentes de control realizadas por países de Latinoamérica. El control biológico de malezas utilizando insectos ha sido muy poco practicado en nuestros países latinoamericanos y si lo comparamos con el avance logrado en el control biológico de artrópodos plagas para la misma región se puede afirmar que el control biológico de malezas en latinoamérica está en su infancia. Puede considerarse a Chile como el pionero

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CAPÍTULO 10

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en Latinoamérica donde actividades en éste campo fueron iniciadas en 1952 contra la maleza no nativa Hypericum perforatum L. (Familia: Clusiaceae). Este proyecto ha tenido un gran éxito lográndose un control altamente efectivo (Norambuena y Ormeño, 1991). Proyectos de control biológico para controlar otras malezas en Chile, como Galega oficinalis L., Ulex europaeus L. (Familia: Fabaceae), Rubus constictus Lepeure y Mueller, y Rubus uifolius Schott (Familia: Rosaceae) fueron iniciados a los comienzos de los 1970s y su control ha sido moderadamente exitoso o inefectivo (Julien y Griffiths, 1998). Los esfuerzos de investigación en Chile evaluando el uso de insectos y patógenos para el control de malezas continúan con más intensidad en la última década debido a la obtención de fondos con instituciones patrocinadoras nacionales (Hernán Norambuena, comunicación personal).

En Argentina solo se conoce de un único caso de control biológico de malezas, y es la utilización del picudo Neochetina bruchi Hustache, (Coleoptera: Curculionidae), el cuál fue introducido en la provincia “La Rioja” localizada en el centro-oeste del país, desde la provincia de Buenos Aires para el control del “lirio acuático” conocida en Argentina como “Gramalote”. Se logró reducir la infestación de esta maleza del 50% a un 8% (Deloach y Cordo, 1983). Un caso similar de éxito relativo de control del lirio acuático ha sido reportado en los últimos años con Neochetina bruchi y Neochetina eichhorniae Warner en el estado de Sinaloa, México. En 2001 se estimaban que por lo menos 6,000 hectáreas de agua infestadas con ésta planta en Sinaloa estaban completamente controladas o en proceso de control (más del 97% de las plantas en los embalses de agua). Desde entonces se están llevando los neochetinos a otras regiones tratando de llegar a liberar estos insectos en la mayor parte de las 100,000 hectáreas infestadas con lirio acuático en México (Boletín IOBC-

SRN Junio 1999, Alejandro Pérez Pandero y Germán Bojórquez, comunicación personal).

En los últimos años, el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) de Jiutepec, Morelos ha estado combinando la utilización de los Neochetinas con hongos nativos (Cercospora piaropi Tharp, y Acremonium zonatum (Saw) Games), altamente virulentos contra el lirio acuático, con lo cual han logrado un control altamente efectivo en un tiempo relativamente corto de varios meses (Martínes y Gómez, 2007). Las actividades de investigación en control biológico (no-clásico) de malezas en Brasil, fueron iniciados en el 2000 en los estados del sur del país contra Tecoma stans (Bignoniaceae), maleza no nativa y originaria de México y Centroamérica, y contra la maleza nativa de Brasil, Senecio brasilensis (Spreng.) (Familia: Asteraceae). Otro país que recientemente inició actividades de control biológico no clásico es Nicaragua, donde se están llevando a cabo muestreos en sistemas acuáticos para determinar los artrópodos asociados con las plantas acuáticas invasoras incluyendo Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, y la lechuga de agua Pistia stratiotes L. También se están estudiando el rango de plantas hospederas y la biología de un saltamonte Cornops sp. (Famila: Acrididae) para el control del lirio acuático (Mercedes Rueda, comunicación personal). En Honduras se han llevado a cabo desde los inicios de 1990 en forma muy limitada algunas actividades de control biológico utilizando los picudos Neochetinas y de remoción manual para el control muy exitoso del lirio acuático en la Universidad Agrícola Panamericana “El Zamorano”.

Las veinte malezas que pueden considerarse más importantes en la región latinoamericana (cuadro 1) incluyen Cyperus rotundus L. (Famila: Cyperaceae), conocida como “coyolillo” en Centroamérica y “coquito”

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en Colombia; Amaranthus spinosus L. (Familia: Amaranthaceae) nombre común en Centroamérica “bledo”; Ambrosia artemisiifolia L. (Familia: Asteraceae), nombre común “Amargosa”, tiene una amplia distribución en América del Norte y Sur; Bidens pilosa L. (Familia: Compositae), nombre común mozote; Coniza bonariensis (L.) Cronq., nombre común “varilla” distribuida en toda la América tropical; Cyperus rotundus L. (Familia: Cyperaceae), conocida como “coyolillo” en Centroamérica y “coquito” en Colombia; Desmodium tortosum (Swarts) Dc., (Familia: Fabaceae), bien conocida en Centroamérica por el nombre “pega-pega”; Echinocloa colona (L.) Link (Familia: Poaceae), conocida como “arroz de monte o arrocillo”, maleza originaria de Eurasia y muy común en los arrozales de Latinoamérica; Eichhornia crassipes (Familia: Pontederiaceae), nombre común, jacinto de agua, lirio de agua, o lirio acuático; Eragrostis plana Nees (Poaceae), nombre común en Brasil “capim Andoni”; Pistia stratiotes (Familia: Araceae), conocida como “lechuga de agua” en Centroamérica y “alfaça de agua” en Brasil; Portulaca oleraceae L. (Familia: Portulacaceae) conocida como verdolaga en Centroamérica; Richardia scabra L. (Familia: Rubiaceae), nombre común “botoncillo”; Ricinus communis L. (Familia: Euphorbiaceae), maleza altamente tóxica conocida en latinoamérica como “castor o higuerilla”; Rottboellia cochinchinensis (Lour) Chyton (Familia: Poaceae), conocida en Centroamérica y en el Caribe como “la caminadora”; Sida acuta Burn. f. (Familia: Malvaceae), conocida como “escobilla negra”; Solanum torvum Swarts (Familia: Solanaceae), arbusto espinoso muy común en latinoamérica conocido como “lava platos o huevo de gato”, nombres que se aplican también a varias especies de Solanum; Sorghum halepense (L.) Pers. (Familia: Poaceae), conocida como zacate Johnson; Taraxacum officinale Weber (Familia: Asteraceae), originaria de Europa y conocida en Latinoamérica

como “lechuguilla”; Tecoma stans (L.) Kunth ex HBK. (Familia: Bignoniaceae), se conoce como “guabillo” en Centroamérica, y es considerada invasora en el sur de Brasil; y Ulex europaeus L. (Familia: Fabaceae), conocida en suramérica con el nombre común “tojo”, (www.Institutohorus.org.br), Kranz, 2004; Medal, 2004; Vitorino et al., 2003; Pitty y Molina, 1998; Salazar y Guerra, 1996, Muñoz y Pitty, 1994, Zindahl, 1993, CATIE, 1990). Todas estas malezas indicadas arriba (sean terrestres o acuáticas) están causando considerables daños económicos en Latinoamérica, lo que justifica el costo de la investigación e implementación de actividades de control biológico orientadas a su control.

Exportaciones de bioagentes de control efectuadas desde Latinoamérica. Contrario a la limitada o no existente práctica de hacer introducciones de insectos para el control biológico de malezas en la mayoría de los países de la región latinoamericana, 127 especies de insectos de Latinoamérica habían sido exportados y utilizados en otras regiones del mundo, principalmente hacia Australia, Canadá, Estados Unidos continental y Hawai, Nueva Zelanda, India, y hacia un gran número de países africanos principalmente África del Sur a fines del siglo pasado (Julien y Griffiths 1998). Los tres países de Latinoamérica de donde más especies de insectos han sido exportados como agentes de control biológico de malezas a otras regiones del mundo incluyen México (42 especies o el 33.1% del total exportado), Brasil (30 especies o el 23.6% del total), y Argentina (20 especies o el 15.8%) (Julien y Griffiths 1998). Esta tendencia continúa en los inicios del siglo actual y es debido principalmente a personal entrenado e instituciones ya establecidas algunas desde los inicios de 1970 por países extranjeros que están siendo afectados por malezas originarias de Latinoamérica.

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CAPÍTULO 10

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Principales dificultades para la implementación del control biológico de malezas en Latinoamérica. Entre las principales limitaciones para llevar a cabo proyectos de control biológico para controlar malezas en Latinoamérica se puede señalar el reducido o no existente personal técnico con entrenamiento en esta área. Algunos esfuerzos de entrenamiento en este campo fueron iniciados por la Universidad de Florida con la cooperación de la Universidad Nacional Agraria de Nicaragua (UNA), el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INIA-Carillanca) de Chile, y el Laboratorio Suramericano de Control Biológico del USDA-ARS en Hurlingham, Argentina. Tres cursos intensivos de una semana de duración fueron impartidos en Nicaragua en junio del 2002, 2004, y 2006 con 78, 51, y 46 participantes, respectivamente. Esta clase de entrenamiento se está continuando para poder tener el personal necesario capacitado y poder lograr una participación más activa en el control biológico de malezas en nuestros países. El 4° curso intensivo se llevará a cabo en Jiutepec, Morelos, México en el 2008 organizado por el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua y la Universidad de la Florida.

Otro factor importante que limita la práctica del control biológico de malezas en Latinoamérica viene a ser el número limitado de edificios de cuarentenas que existen en la región. La mayor parte de los países latinoamericanos no tienen facilidades cuarentenarias para la introducción de artrópodos o patógenos para el control biológico de malezas. Sin embargo, la mayor parte de los países de la región poseen edificios de cuarentena para la introducción de parásitos y predadores para el control biológico de artrópodos plagas. Estas instalaciones podrían ser modificadas y adaptadas para la introducción de agentes de control biológico de malezas (Norambuena, 2002). Países que poseen instalaciones de cuarentena

para el control biológico de malezas incluyen: Brasil, Argentina y Chile. Un tercer factor limitante a mencionar es la falta de fondos. Los recursos económicos para cualquier tipo de investigación agrícola son escasos y altamente competitivos. Los fondos que se requieren para iniciar un nuevo proyecto para el control de una maleza son relativamente elevados. Sin embargo los beneficios ecológicos y/o económicos que se obtienen, si el agente de control biológico llega a establecerse y ser exitoso, harán que se recobre con beneficios la inversión efectuada. Ahora bien, debido a la experiencia limitada que existe en la región y a los escasos recursos económicos disponibles, se recomienda iniciar proyectos, usando la “ruta corta” o “short route” como se le conoce en inglés, en vez de iniciar un proyecto de control biológico partiendo de cero.

Conclusiones

Para concluir, es evidente que existe un gran potencial para el control biológico de malezas usando insectos en Latinoamérica. Esta técnica de control puede llegar a proporcionar una alternativa sustentable, efectiva, que no causa daños a los organismos no blancos, y puede tener un beneficio/costo considerable para las malezas más importantes de la región. La utilización de patógenos es otra alternativa que podría jugar un papel todavía más importante en las más alteradas y complejas combinaciones de cultivos múltiples practicadas por los agricultores latinoamericanos. El continuo entrenamiento del personal técnico e investigadores en los conceptos básicos y metodologías para el control biológico de malezas viene a constituirse en un aspecto de suma importancia que indudablemente contribuirá a la mayor utilización de esta técnica en nuestros países latinoamericanos.

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CAPÍTULO 10

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SECCIÓN II


Capítulo 11

C.J. DeLOACH*, A.E. KNUTSON, P.J. MORAN, G.D.J. MICHELS, D.C. THOMPSON, R.I. CARRUTHERS, F.L. NIBLING and T.G. FAIN. *United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Grassland, Soil and Water Research Laboratory, Temple, Texas. USA.

Resumen

La siempre creciente invasión de organismos exóticos de otros continentes es una de las más grandes amenazas al bienestar de los ecosistemas nativos norteamericanos. Entre el peor de éstos se encuentra el pinabete (Tamarix spp.). Éstos son arbustos o árboles pequeños introducidos de Asia y desde el Mediterráneo al oeste de los Estados Unidos por la década de 1820, los cuales se usaron como ornamentales de jardín y para prevenir la erosión del suelo. Sus poblaciones explotaron después de la década de 1920 y actualmente los bosquecillos han

Biological Control of Saltcedar (Cedro salado) (Tamarix spp.) in the United States, with Implications for Mexico

Control Biológico del Pinabete (Cedro salado) (Tamarix spp.) en los Estados Unidos, con Implicaciones Para México

invadido cerca de 800,000 ha de muy valiosas tierras desde las Grandes Llanuras centrales hasta el Pacífico, y desde Montana hasta el norte de México. Estos bosquecillos han desplazado de su sitio a comunidades de plantas nativas, el hábitat de la fauna se ha degradado (incluyendo muchas especies raro, amenazó y en peligro de extinción), usan grandes cantidades de agua escasa, reducen el flujos de los arroyos, incrementan el peligro de los incendios, alteran los cauces de arroyos y reducen el valores recreativo de la tierra. El control biológico clásico, es idealmente adecuado para estas condiciones, ha sido muy usado y ha demostrado ser eficaz. Se ha empleado contra más de 135 malezas a nivel mundial desde 1865 y contra el cerca de 40 malezas exóticas de Norte América desde 1945. El USDA-ARS empezó el control biológico del pinabete en Temple, TX en 1986 con los análisis de riesgo y exploraciones para sus enemigos naturales del extranjero. El primero de éstos que se encontró es un escarabajo de la hoja, Diorhabda sp del NW de China y del este de Kazakhstan, los cuales defolian los árboles, tanto la larva como el adulto y producen de 2 a 5 generaciones por año. Evaluaciones intensivas en Temple, y después de 1998 también en Albany, CA, demostraron que estos escarabajos pudieran alimentar y sólo podrían completar su ciclo de vida en pinabetes (principalmente Tamarix chinensis y T. ramosissima), y poco o nada en las 4 especies nativas estudiadas de Frankenia spp. Los escarabajos se liberaron en mayo de 2001 en 10 sitios de 6 estados del oeste y se establecieron en 5 de 6 sitios en

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Control Biológico del Pinabete

Nevada, Utah, Wyoming y Colorado (todos al norte del paralelo 38°) pero no en los 4 sitios al sur del paralelo 38 en Texas y California. Para el año 2007, ellos habían defoliado 36,000 ha en Lovelock, NV; 3,200 ha en Lovell, WY; 2,000 ha en Schurz, NV y Delta, UT y 162 ha en Pueblo, CO.

Nosotros descubrimos un ecotipo de D. elongate adaptado más al sur de Grecia, lo probamos extensivamente en cuarentena, y se liberó en Big Spring en el NW de Texas en abril de 2004. La proporción de pinabetes defoliados allí está aumentando en casi 10 órdenes de magnitud por año, y a 10 ha en octubre de 2006. Nosotros hemos redistribuido escarabajos del sitio PrimaBig Spring en cerca de otros 25 sitios en el NW de Texas, 2 cerca de Ft. Stockton, y 4 entre Presidio y Candelaria, TX. Se han liberado escarabajos de Uzbekistan cerca de Seymour, TX y se han establecido en el Lago Meredith, y Fukang; escarabajos de China en Artesia, NM. Escarabajos de Creta (de un cultivo de Albany, CA) se establecieron en Cache Creek, CA. El control biológico del pinabete parece funcionar bien y en una manera eficaz, segura, permanente, barata y medioambientalmente amigable en los Estados Unidos. Nosotros no anticipamos daño a plantas nativas de Frankenia (también en el orden de las Tamaricales) y sólo de ligero a moderado, y sólo daño transitorio a los árboles beneficiosos de athel exótico, (T aphylla), y sólo si están localizados adyacentes a los pinabetes defoliados.

Abstract

The ever increasing invasion by exotic organisms from other continents poses one of the greatest threats to the well-being of North American native ecosystems. Among the worst of these is saltcedar (Tamarix spp.). These are shrubs to small trees introduced from Asia and

the Mediterranean area into the western United States from the 1820s as garden ornamentals and to prevent streambank erosion. Their populations exploded after the late 1920s and today they have invaded ca. 800,000 ha of highly valuable riparian areas, and form dense, monotypic thickets from the central Great Plains to the Pacific and from Montana into northern Mexico. These thickets have displaced native plant communities, degraded wildlife habitat (including that of many rare, threatened and endangered species), use large quantities of scarce groundwater, reduce stream flows, enhance wildfires, alter stream channels and reduce recreational values. Classical biological control, is ideally suited to these conditions, and has been much used and proven effective. It has been used against over 135 weeds worldwide since 1865 and against ca. 40 exotic weeds of North America since 1945. USDA-ARS began biological control of saltcedar at Temple, TX in 1986 with risk analyses and explorations for overseas natural enemies. The first of these, a leaf beetle, Diorhabda sp., from NW China and E Kazakhstan defoliates the trees in both the larval and adult stages and has 2 to 5 generations per year. Intensive testing at Temple, and after 1998 also at Albany, CA, demonstrated that these beetles could feed and complete their life cycle only on saltcedars (mostly Tamarix chinensis and T. ramosissima), much less on athel (T. aphylla) and slightly or none on the 4 native Frankenia spp. tested. They were released at 10 sites in 6 western states in May 2001. They established at 5 of 6 sites in Nevada, Utah, Wyoming and Colorado (all north of the 38th parallel) but not at the 4 sites south of the 38th parallel in Texas and California. By 2007, they had defoliated from 36,000 ha at Lovelock, NV to 3,200 ha at Lovell, WY to 2,000 ha at Schurz, NV and Delta, UT and 162 ha at Pueblo, CO.

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We discovered a more southern adapted ecotype of D. elongate in Greece, tested it extensively in quarantine, and released it at Big Spring in NW Texas in April 2004. The rate of saltcedar defoliated there is increasing ca. 10 fold per year, and to 10 ha in October 2006. We have redistributed beetles from the Big Spring site to ca. 25 other sites in NW Texas, 2 near Ft. Stockton, and 4 between Presidio and Candelaria, TX. Beetles from Uzbekistan have been released near Seymour, TX and are established at Lake Meredith, and Fukang, China beetles at Artesia, NM. Crete beetles (from a culture at Albany, CA) are established at Cache Creek, CA. Biological control seems well on the way to providing efficient, safe, permanent, inexpensive and environmentally friendly control of saltcedar in the United States. We do not anticipate damage to native Frankenia plants (also in the order Tamaricales) and only slight to moderate, and only transitory damage to beneficial, exotic athel (T. aphylla) trees, and only if located adjacent to defoliated saltcedars.

The Invasive, Exotic Weed Problem

The great and continuing invasion of our North American ecosystems by exotic plants, animals (especially insects), and plant and animal pathogens poses one of the greatest dangers to our native ecosystems, agriculture and human health. Throughout our history, this has been an ongoing disaster, caused primarily by the unintended inclusion of these organisms in introduced commercial, horticultural and agricultural products from other countries through trade and by plant/animal venders, tourists, gardeners, pet owners, and occasionally by agriculturalists, mostly unaware that organisms that appear benign in their native country could become highly damaging in the new North American ecosystems. Our history is replete with cases of exotic, invasive ecosystem-

destroying pests, including insects, weeds, mammals, birds, reptiles, invertebrate animals and plant, animal and human pathogens, and invasive, exotic weeds have caused widespread damage to North American rangelands, wetlands, aquatic and riparian areas, forests, other natural areas, croplands and urban and residential areas.

Invasions of exotic plants also have had a negative effect on many rare, threatened or endangered (T&E) plant and animal species. In Germany, Sukopp and Trautmann (1981) showed that 89 of 581 rare plants were declining because of herbicidal applications to control weeds, and in Australia Bell (1983) showed that more than 50 plant species were endangered because exotic, invading weeds out-competed them. In the United States, Stein and Flack (1996) estimated that approximately 500 of the 972 federally listed threatened and endangered (T&E) species of plants and animals are at risk primarily because of competition with and predation by non-native species and Wilcove et al. (1998) estimated that 48% of 56 species of birds and 30% of 641 plants are imperiled because of alien species. Our review (DeLoach and Tracy, 1997) showed that 39 T&E species are adversely affected by the saltcedar invasion.

Pimentel et al. (2002) estimated the cost of invasive species at ca. $137 billion per year, including $34 billion in losses from invasive plants. Zavaleta (2000) estimated the direct economic losses caused by saltcedar at $133-285 million annually, plus other large environmental losses. We urgently need better public education, tighter regulations and controls on introductions, and perhaps also a clear demonstration of need before foreign animals and plants may be imported. Some of these pests are amenable to biological control and in fact have been successfully controlled, and some are not.

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Biological Control of Weeds. Biological control is the use of living organisms (natural enemies) to control another unwanted organism. Three approaches are generally recognized: 1) conservation – actions to conserve the existing natural enemies or competitors of the pest, 2) augmentation – actions to increase the abundance of either native or introduced natural enemies, usually by mass rearing and release, and 3) introductory, or “Classical” – the introduction of natural enemies not already present. Mexico and Brazil are among the leading countries in the augmentation of insect predators, parasitoids or pathogens to control insect pests of crops. However, mass rearing and release of phytophagous insects to control weeds in rangelands or natural areas usually is prohibitively expensive. Historically, classical biological control has been much the most used and the most successful in controlling weeds. It usually is restricted to the use of undomesticated animals (usually insects and sometimes mites, plant pathogens, sterile fish or other organisms) to control exotic weeds of rangelands, forests, and aquatic and natural areas. The philosophy is well developed and simple, but complex in execution – locate the origin of the weed, find the natural enemies that control it there, test them carefully to insure that they damage only the target weed, obtain the proper regulatory clearances, release them where the weed causes damage, and monitor control and effects in the ecosystem (Huffaker, 1957, Andres et al., 1976, McFadyen, 1998, Spafford Jacob and Briese, 2003, Combs et al., 2004, Olckers and Hill, 1999).

Classical biological control of weeds is a much used and frequently proven technology. It began in Sri Lanka (then Ceylon) in 1865 and in Australia and Hawaii in 1902 and 1903. Today, it has been used in 75 countries against 133 species of weeds and using more than 360 species of control organisms, for a total of 1150 projects (Julien

and Griffiths, 1998). It was first used in North America in 1946 and provided spectacular control of European St. Johnswort (Hypericum perforatum) in California (Huffaker and Kennett, 1959). It has been used against ca. 40 species of exotic, invasive weeds in the United States and Canada (control agents actually released) (Nechols et al. 1995, Rees et al. 1996, Julien and Griffiths 1998, Coombs et al. 2004) and one (waterhyacinth) also in Mexico (Aguilar et al., 2005). Until 1974, about one-third had been completely or substantially controlled (no further controls needed over large areas), one-third partially controlled (other control methods could be reduced), and one third with little or no control (Sailer, 1975). Since the 1970s, with increased effort and improved methodologies, the success rate has increased to about two thirds. At present, some 13 species have been completely or substantially controlled over large areas in the U.S. and Canada and research is still continuing on several weeds which yet could be successful (Nechols et al., 1995, Rees et al., 1996, Coombs et al. 2004). These are (with dates of first release): St. Johnswort, Hyperium perforatum (1946); puncturevine, Tribulus terrestris (1961); alligatorweed, Alternanthera philoxeriodes (1964); tansy ragwort, Senecio jacobaea (1969); musk thistle, Carduus nutans (1969); waterhyacinth, Eichhornia crassipes (1972, and later in Sinoloa, Mexico); leafy spurge, Euphorbia esula (1975); hydrilla, Hydrilla verticillata (1987); waterlettuce, Pistia stratiodes (1987); field bindweed, Convolvulus arvensis (1989), purple loosestrife, Lythrum salicaria (1992); melaleuca, M. quinquenervia (1999); and saltcedar, Tamarix ramosissima/T. chinensis, T. parviflora and hybrids (2001).

In past projects rated as completely or substantially successful, control has been permanent so that previous conventional control methods (herbicidal, mechanical)

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have not been needed; and the control agents that remain present on the few remaining plants constantly suppress regrowth and reinfestation. The objective of biological control is to maintain low populations of the control agent and low, non-damaging populations of the weed, not eradication of the weed. Biological control has never eradicated a weed, nor has any other method of control except in small areas. Also, no weed is known to have developed resistance to biological control, as is happening more and more frequently with chemical controls. No introduced biological control agent has ever changed its host range to attack additional plant species and no weed has developed resistance to the control agent (Marohasy, 1996, McFadyen, 1998, Briese, 2005). McFadyen (2003) reviewed biocontrol projects from several countries, where successful control of 29 of the 32 weeds had been obtained by only one or two insect species. However, the discovery of which control agent will be most effective still is difficult because of the many interacting factors that affect efficacy in the field (see the several papers in Julien and White (1997) and Spafford Jacob and Briese (2003). In most cases, if additional control agent species are needed it will be in fringe climatic areas where the control agent(s) are less effective.

Historically, biological control has had a remarkable record of safety to non-target plants, both in absolute terms and in comparison with conventional controls (Harris, 1988). As for as is known, no rare or endangered weed has been made more so by biological control (Harris, 1988). Only 9 cases are known of significant but isolated, transitory damage to closely related plants. This collateral damage occurred only near the release site and only during 1 or 2 years after establishment, when the control insects had increased to high populations, the weed populations had been reduced, the large control insect population was

left without food, and temporary “spillover” occurred on non-target but closely related plants (Julien and Griffiths, 1998, Briese, 2005, Waterhouse, 1998).

Many of the cited cases of damage from introduced exotics, and implicitly also of biological control of weeds, resulted from unregulated releases of vertebrates or insects with broad host ranges that never should be released. Many of the releases were by agricultural or wildlife workers, and before 1960, who had little knowledge of environmental consequences. We must remember that not every exotic plant or insect is damaging – many are beneficial and we should distinguish between them. Some risk is always present in biological control of weeds (Pemberton, 2000) – biological control workers are keenly aware of that and none wish to cause environmental damage. Some weeds and some control agents are too risky and should be dropped from consideration. But, we also must remember that the target weed is a highly damaging exotic and the choice of doing nothing will only increase and prolong that damage (Pimentel, 2000). The strict regulation and oversight now in place should reduce the risk to an acceptable level.

The worst-case known of non-target damage occurred in the U.S. in the 1960s when the exotic seed-head weevil (Rhinocyllus conicus) was released to control the exotic European musk thistle (Carduus nutans). Musk thistle was an enormously damaging weed of rangelands and pastures over large areas of the U.S., no satisfactory control was known, and R. conicus provided almost complete control. Unfortunately, it also attacked the native Platte thistle (Cirsium canescens), also then considered as a minor noxious weed, and later substantially reduced its stands in eastern Nebraska but not, or less so, in other areas. The decision to release was an administrative one based on the urgency of the problem, in spite of the fact

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that the pre-release testing clearly showed that Cirsium thistles would be attacked (Gassmann and Lauda, 2001). This was not a case of host range change or of carelessness in the testing program as sometimes reported. Although disturbing, the damage has not been as serious as once predicted. Probably the most important factor that has promoted more caution in biological control is that public attitudes have changed greatly since the 1960s, especially after publication of “The Silent Spring” (Carson, 1962). Regulations now have been greatly strengthened to prevent non-target attack and environmental damage caused by biological control programs.

The Saltcedar (Tamarix spp.) Invasion. One of the most spectacular and damaging plant invasions is that of exotic saltcedars, shrubs to small trees from Asia and the Mediterranean area, into the highly valuable riparian areas of the western USA.

Taxonomy, Appearance, and Distribution of Tamarix. The genus Tamarix (family Tamaricaceae, order Tamaricales, subclass Caryophyllidae) is a genus of 54 species of small trees or shrubs (rarely large trees) native only in the Old World (Baum, 1978, Spichiger and Savolainen, 1997). The genus evolved in riparian habitats in arid, saline areas of Central Asia, with a secondary center of speciation in the eastern Mediterranean area (Baum, 1978, Kovalev, 1995).

Saltcedars. Saltcedars, also commonly called tamarisks, in the U.S. and cedra salada in Mexico, were first reported in the United States in a plant nursery in New York in 1823 and soon thereafter in California. They were widely planted in the West as garden ornamentals and to prevent stream bank erosion. They rapidly became naturalized and by the late 1800s they had become pests

in some areas but their populations exploded after the late 1920s (Robinson, 1965, Horton, 1977). Ten species have been introduced and four species and their frequent hybrids (Tamarix hybrids are uncommon or rare within their area of native distribution) have become serious weeds in the West: T. ramosissima and T. chinensis (both widespread in the western United States and northern Mexico), T. canariensis (coastal Gulf of Mexico) (Baum, 1978), and T. parviflora (California) (Gaskin and Schaal, 2002, 2003; Gaskin et al., 2004). Saltcedars in North America usually have variably pink flowers and with foliage of juniper (cedar) - like bracts. Today, saltcedars occupy over 800,000 ha of the most highly valuable lands along streams and lakeshores from the central Great Plains to the Pacific and from Montana into Northern Mexico (Robinson, 1965).

Athel. Athel (Tamarix aphylla (L.) Karst.), also commonly called “pinabete”, or little pine, in Mexico or “athel pine” in Australia, is a large, evergreen, cold-intolerant tree. Its native distribution is from Pakistan (Baum, 1978) and northwestern India, across the Middle East and North Africa to Morocco between the 25th and 35th parallels, and down East Africa to Tanzania; it does not occur in southern Europe (Fig. 3) (Baum, 1978, Gaskin and Schaal, 2003). The distribution of athel and T. ramosissima are separated by the +8° C January isotherm (Kovalev 1995). We did not find records of the introduction of athel into North America. Here, it grows southward from ca. 37° N in CA, NV and AZ, from 32° N in NM, and from 30° N in TX and to ca. 25° N in Mexico (Leon Gonzales and Vasquez Aldape, 1991). Athel trees may reach 20m tall with a trunk to 1 m or more in diameter. Foliage consists of small vaginate leaf bracts, closely appressed to the sparcely branched twigs, superficially resembling pine needles or especially Casaurina foliage, in contrast to the more open leaf bracts and much more branched foliage of saltcedars.

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Flowers are white to cream-colored and arranged in a whorl around the rachis.

In the U.S., athel is considered to be a somewhat trashy, low-quality, shade tree that in recent years is little planted. In Mexico, athel is used more frequently as shade trees, windbreaks and hedges in both the arid and more humid northern areas. The usage as shade trees may be declining in some areas as neem trees (Azadirachta indica: Meliaceae) from India, Eucalyptus spp., and Australian pine (Casaurina sp.) are replacing it as better quality shade trees. Athel is not a target for biological control at this time.

Frankenia spp. The genus Frankenia (family

Frankeniaceae, order Tamaricales) consists of ca. 90 species worldwide, mostly in Australia and the Mediterranean area, with 14 species in the Western Hemisphere. Six species occur in North America, F. jamesii from southern Colorado to west Texas, F. johnstonii in south Texas and Coahuila/Neuvo Leon, F. salina from central California to Chile, F. palmeri in Baja California, coastal Sonora and just across the border into southern California, F. gypsophila in southern Nuevo Leon and adjacent San Luis and Zocatecas, and F. margaritae at one location in southern Nuevo Leon. The species grow almost exclusively on saline and gypseous soils in desert areas, although F. salina also grows in salt marshes (Whalen, 1980).

Biology and Ecology of Tamarix

Saltcedars. Saltcedars are deciduous; cold, fire, flood and drought tolerant; insect pollinated and reproduce by huge quantities of short-lived, wind or water dispersed seeds throughout the season as well as vegetatively. They are deep-rooted, facultative phreatophytes and halophytes

that can utilize both ground water and soil moisture and can utilize saline water by excreting the excess salts through leaf glands. These saline excretions form a layer of salt on the soil surface, to which they are tolerant, but which kill or retard cottonwoods and willows (C/W), the prime wildlife habitat, and most other vegetation in western riparian areas. Thus, saltcedars can occupy areas further from the streambanks and use more water across a floodplain than can the shallow-rooted native C/W that are obligate phreatophytes and grow only in areas of shallow water tables nearer the streams (Smith et al., 1998). Saltcedar thickets burn more frequently than the native riparian vegetation but are tolerant of fire (they resprout from underground buds and grow to 2-3 m tall the next year after burning) that kill cottonwoods and other native plants. Saltcedars are relatively unpalatable to livestock whose browsing damages or kills many native riparian plants. Native plants all have guilds of native insects and pathogens that suppress their growth and abundance but saltcedars are seldom attacked; also, saltcedars were introduced without the natural enemies that suppress their populations in the Old World. Saltcedars form dense stands that require control, but recover quickly from the mechanical or herbicidal treatments or fire that kill C/W that grow among mixed stands. Many of the present large saltcedar stands were initiated by floods or fires, sometimes aggravated by overgrazing that killed the native plants and allowed saltcedars to establish. Also, natural conditions of high salinity, or stream diversion and groundwater pumping for agricultural or municipal use are more damaging to C/W than to saltcedars (Tomanek and Ziegler, 1962, Everitt, 1980, DʼAntonio and Dudley, 1997, DeLoach and Tracy, 1997, DiTomaso, 1998, DeLoach et al., 2000). These innate characteristics of saltcedar make it preadapted to the natural and human modified arid, saline western riparian areas, which are similar to that where they

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evolved in Asia, southern Europe and northern Africa, and allowed it to increase unrestricted once introduced outside its native area (DeLoach et al., 2000).

Athel. The biology of athel is similar to that of saltcedar in many respects: it is drought, salinity and fire tolerant as is saltcedar. However, it is also different in several respects, being a large, evergreen, cold intolerant tree and seems to be less invasive than saltcedar (DeLoach, 2005c). The ecology and salt relationships of athel were studied in Israel by Waisel (1961, 1972). The insect species that attack athel in the Old World are very different from those that attack saltcedar (Kovalev, 1995, Habib and Hassan, 1982). Athel generally is thought to reproduce only rarely by seeds, probably a major factor that prevents it from becoming a major invader. However, one of us (DeLoach) has seen it apparently invading in some areas in southern CA and south Texas and spreading along the highway and into pastures east of Los Mochis, Sinaloa, MX. Griffin et al. (1989) reported that athel (the only Tamarix species in Australia) had become a serious, noxious invader along the Finke River in central Australia following some floods. Athel would appear capable of becoming invasive in the U.S. and Mexico under favorable environmental conditions. The saltcedar X athel hybrid recently found in Nevada also may become invasive (Gaskin and Shafroth, 2005).

Synergism between saltcedars and physical and agricultural changes. Many anthropogenic, mostly physical changes have intensified the negative environmental effects of the saltcedar invasion (Horton, 1977, Lovich and DeGouvenain, 1998, Graf et al., 2002). These include the construction of dams and the consequent changes in water levels in the reservoirs and in the hydrologic cycles below the dams; stream

channelization, diversion and pumping of groundwater; phreatophyte control programs; overgrazing/browsing by livestock; increased wildfires, and conventional saltcedar control programs (reviewed by DeLoach et al. 2000). These changes plus the inate biological characters of saltcedar enable it to interact synergistically with the natural and changed physical environment to produce an overwhelming competitive advantage over the native riparian plant communities of the western United States (DeLoach and Tracy, 1997, Smith et al., 1998, DeLoach et al., 2000).

Effects of Saltcedar in Native North American Ecosystems. Our native ecosystems have huge positive values for production of goods and services including many products of great economic value, for environmental health, for recreation, and for quiet relaxation. The preservation of these values (and especially the restoration of damaged areas) often entails great economic costs, which may be unavailable. The saltcedar invasion has produced profound changes in both natural and agricultural ecosystems in riparian areas of the west, where vast areas of native plant communities have been replaced with near monotypic thickets of saltcedar (Horton, 1977). Inexpensive and safe remedies are in urgent demand but rarely available.

Physical changes produced by saltcedar. Extensive saltcedar thickets have lowered water tables, dried up desert springs, reduced stream flow, or converted streams with permanent flow to intermittent flow (Busch and Smith, 1995), lowered water quality, caused severe bank aggredation, blocked channels and increased flooding; changed stream channel and riffle structure; increased wildfire frequency and intensity; and increased soil surface salinity. Saltcedar thickets typically use 4 to 5 feet of water per unit area per year (Gatewood et al.,

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1950, Weeks et al., 1987) that in the present drought severely reduces water available for agricultural irrigation, municipal and environmental use. The combined water loss to saltcedar, agricultural irrigation and municipal use in this area is sufficient to prevent the Rio Grande from reaching the Gulf of Mexico now for several years, and severely curtails agriculture in the Lower Rio Grande Valley. This contributes to default of water agreements between states and between the U.S. and Mexico and damages parks and natural area reserves bordering the Rio Grande (reviewed by DeLoach, 1991b, DeLoach and Tracy, 1997, DiTomaso, 1998, DeLoach et al., 2000).

A recent study attempted to resolve the ongoing debate about whether the saltcedar invasion resulted from previous floodplain changes (produced by humans) (Everitt, 1998, Graf et al., 2002) or if it actively invaded native plant communities (Barrows 1998). Along the Green River, UT Birken and Cooper (2006) found that Tamarix had invaded, flourished and contributed to channel and floodplain changes long before river regulation by Flaming Gorge Dam began in 1938. They recommended that Tamarix removal should be a key restoration goal of floodplain and riparian vegetation managers. They cautioned that the ecology of Tamarix would make it nearly impossible to eradicate but, if left uncontrolled, it will continue to colonize and dominate river floodplains, resulting in the homogenization of riparian vegetation throughout the western U.S.

Effects on Native plant communities. The original native riparian vegetation in the Southwest consisted mostly of tall cottonwoods (Populus spp.) and some other species, with an understory of willow (Salix), screwbean mesquite (Prosopis pubescens) and Baccharis near the streams and with honey mesquite (Prosopis glandulosa),

quailbush (Atriplex lentiformis), and other plants on the higher terraces. These plants coexisted in a state of “perpetual succession” in which floods maintain a diverse structure, composition and range of age classes (Campbell and Green, 1968, Ohmart et al., 1977, 1988). By the 1950s, saltcedar had replaced at least 50% of the native riparian vegetation along most major streams (Horton and Campbell, 1974). Saltcedar is still spreading rapidly into tributaries, around desert springs, and around reservoirs (Lovich and DeGouevain, 1998, Barrows, 1998, and reviewed by DeLoach and Tracy, 1997 and DeLoach et al., 2000). The largest and most damaging stands of saltcedar in the USA are along the lower Colorado, CA/AZ; the Gila, Salt and Little Colorado of AZ, the Rio Grande and Pecos of TX/NM and the Colorado and Brazos of TX. Leon Gonzalez and Vasquez Aldape (1991) found that saltcedar appeared to have recently invaded in northern Mexico.

Effects on Native Animal Communities. The published literature and unpublished reports reveal little to indicate that invasive saltcedar is of greater value to native animal species, including many rare or T&E species, than the native riparian plant communities it has displaced. This is especially true for the more highly specialized species of birds, insects and other animals. Those species of birds that are abundant in saltcedar are the more generalist species that utilize saltcedar for cover and feed in other areas, such as white-winged dove, white-crowned sparrow, grackles, red-winged blackbirds, etc. (Hildebrant and Ohmart, 1982, DeLoach et al., unpublished data).

Insects. On the Lower Colorado and its tributaries in Arizona, Blinn and Ruiter (2006), collected fewer aquatic caddisfly larvae (Tricoptera) (used as an indicator of water quality of streams) at sites with saltcedar than in sites with native willow, alder, cottonwood or sycamore. Although

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the adults of many pollen or nectar feeding insects are abundant on saltcedar flowers, the immatures of all of these species are produced on nearby native vegetation, not on saltcedar (Knutson and Muegge, manuscript in preparation).

Birds. On the lower Colorado River, bird populations were only 39% as great in saltcedar as in native vegetation during the winter and 68% as great the rest of the year (Anderson and Ohmart, 1977) and saltcedar was the most negatively correlated variable with bird populations (Anderson and Ohmart, 1984). Frugivores, granivores and cavity dwellers were absent, insectivore populations were reduced (Cohan et al., 1979) and several bird species were in serious decline (Hunter, 1984). Similar effects on birds were found on the Rio Grande of Trans-Pecos, TX (Engle-Wilson and Ohmart, 1978) and the Pecos River, TX and NM (Hildebrandt and Ohmart, 1982) and the Middle Rio Grande (Hink and Ohmart, 1984) but the inclusion of some native trees among the saltcedar enhanced the attractiveness to birds. To improve wildlife usage along the lower Colorado, Anderson and Ohmart (1984b) recommended a management plan that included: 1) above average foliage density and diversity, especially of cottonwoods and willows, 2) increased mistletoe as a food resource for frugivores, and 3) elimination of saltcedar.

Threatened and endangered speices. DeLoach and Tracy (1997) and DeLoach et al. (2000) (based mostly on Anonymous, 1995), concluded that biological control would benefit 39 T&E species, would have insignificant or beneficial effect on 8 species, and no effect on 4 species.

Fishes. Many desert fish species are adversely affected by the narrower, deeper and more homogenous stream habitats and by reduction in numbers and types of

food insects caused by the saltcedar invasion (Schoenherr, 1988, Bestgen and Platania, 1991). In a detailed ecological study at Ash Meadows National Wildlife Refuge, NV, Kennedy et al. (2005) found that clearing saltcedar from a desert spring brook increased populations of two endangered fish, the Ash Meadows pupfish (Cyprinodon nevadensis mionectes) and the Ash Meadows speckled dace (Rhinichthys osculus nevadensis), and reduced populations of exotic crayfish. The saltcedar had shaded the stream, reducing the algal growth that was an important food for the fish. Clearing saltcedar restored the spring brook to conditions of the native vegetation sites. They concluded that eradicating saltcedar from spring ecosystems clearly should be a management priority. At Big Bend National Park, TX, an Environmental Assessment is in preparation for biological control of saltcedar as the method of choice for restoring the native habitat of the endangered Rio Grande silvery minnow (Hybognathus amarus) (Aimee Roberson and J. Sirotnik, personal commu.).

Willow flycatcher. The greatest concern for possible negative effects of the saltcedar biological control program is from the USDI Fish and Wildlife Service (FWS) and other flycatcher biologists regarding the breeding habitat of the endangered southwestern subspecies of the willow flycatcher, Empidonax trailii subsp. extimus Phillips (sw WIFL). It breeds in Arizona, southern California, southern Utah, the southwestern quarter of Colorado and the western half (including the Rio Grande Valley) of New Mexico (Unit, 1987, Sferra et al. 1997, Moore and Ahlers, 2006). Although abundant monotypic saltcedar is present, it has not been recorded on the Pecos River or on the Rio Grande downstream from Radium Springs, NM since the 1970s, or since the early 1900s along the lower Colorado River, CA/AZ south of the Bill Williams River (McKernan and Braden, 2001b). It overwinters in Central America and

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northern South America. The information on the flycatcher has been summarized by DeLoach and Tracy (1997) and by DeLoach et al. (2000), and in reviews edited by Finch and Stoleson (2000) and Sogge et al. (2003). Its recovery plan has been finalized and its critical habitat has been designated (USDI-Fish and Wildlife Service 2002, 2005), with opposing comments by DeLoach (2005).

The sw WIFL is a small, neo-tropical summer migrant, riparian-obligate, insectivorous bird. Its breeding habitat is in medium to broad floodplains, with dense vegetation, near or over free water. Its native nest trees are primarily willows but include other trees and shrubs (USDI-Fish and Wildlife Service 1995, 2005). Since the saltcedar invasion, it has begun nesting in dense saltcedar thickets, primarily in mid-elevational areas of Arizona. Major populations nesting in near monotypic saltcedar are at the Salt River inflow of Roosevelt Lake, AZ and Topock Marsh in Havasu National Wildlife Refuge on the lower Colorado River, AZ/CA (Sferra et al., 1997, Paradzick et al., 2001, Smith et al. 2004). However, the largest known populations breed mostly or entirely in native trees and shrubs: at Elephant Butte Reservoir on the Rio Grande, NM (Moore, 2005, Moore and Ahlers, 2006), along the Gila River near Cliff, NM (Sferra et al. 1997), and at Pahranagat NWR in southern NV (McKernan and Braden, 2001). In other areas it breeds in mixed native-saltcedar stands often dominated by willows and cottonwoods as at several sites along the lower San Pedro/Gila Rivers of southeastern Arizona (Sferra et al., 1997); the Santa Margarita, Santa Ynez and Kern Rivers in southern California; and in southwestern Colorado. It no longer reproduces in the former breeding area along the lower Colorado River, AZ/CA from south of the Bill Williams River to the Mexican border (McKernan and Braden, 2001) since saltcedars have replaced the cottonwood/willow forests (Hunter,

1987). Also, it (or other subspecies?) apparently has never bred in the huge saltcedar infested area of the Pecos River, NM where migrants pass through annually.

Along the San Marcial/Elephant Butte reach of the Middle Rio Grande, NM, Moore and Ahlers (2006) reported that numbers of sw willow flycatcher pairs had increased from 0 in 1995, to 20 in 2000, to 50 in 2002, to a maximum of 92 in 2004. In 2005, the population had declined to 77 pairs that produed 127 nests (including 2nd, 3rd and 4th broods) that fledged at least 197 chicks (the largest number recorded) due to reduced cowbird nest parasitism and nest abandonment. Within the 165 km sampling area from Velarde to Elephant Butte, NM over the past 7 years, 81.6% of the 597 nests found were in willow-dominated areas, 10.9% in mixed areas, and 7.5% in saltcedar dominated areas, but percent nest success was not different in these vegetative types. Cowbird parasitism over the 7 years at the Sevilleta/La Joya reach (saltcedar dominated) averaged 26.2% but along the San Marcial/Elephant Butte reach (willow dominated) it was only 14.1% (Moore and Ahlers,2006).

In Arizona, it is highly attracted to place its nests in saltcedar trees, even though they may be unvigorous (or even dead) and surrounded by healthy willows as along the lower San Pedro River and at San Marcial on the Middle Rio Grande, NM. The basis of this attraction appears to be the near ideal (for it) branching structure of saltcedar, in which the nests are placed among several upright sprouts arising from larger, somewhat horizontal branches, giving the nests great stability. This appears to be a case of the classical ethological phenomenon known as a “super-normal stimulus”, in which behavior is determined by one overriding stimulus, even if other factors are detrimental and reduce the reproductive rate (Tinbergen, 1948,

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Staddon, 1975) and as applied to the American robin (Turdus migratorius) by Schmidt and Whelan (1999) and to the willow flycatcher by DeLoach et al. (2000). These mortality factors for the flycatcher that probably are exacerbated by saltcedar include cowbird nest parasitism (Uyehara et al. 2000), high nest-site temperatures (Hunter, 1987), wildfires (Paxton et al., 1996), mid-season drying of surface water or moist soil (Johnson et al., 1999), and possibly predation and the lack of immature insects in saltcedar and increased stress on females, although Sogge et al. (2003) could find no evidence for this (reviewed by DeLoach et al., 2000).

The combination of these factors has reduced the reproductive success of the sw WIFL in monotypic saltcedar stands to half of that in willows and other native or mixed native/saltcedar stands, as along the lower Colorado River (McKernan and Braden, 2001; and reviewed by DeLoach, 2005) and at Roosevelt Lake (Sferra et al. 1997, Greenwald, 1998). In some areas (Roosevelt Lake and Elephant Butte), populations have increased dramatically in the last few years since willow stands have increased greatly, caused by water level changes in the reservoirs.

Some biologists had expressed concern that in many areas depth to water table has so declined and salinity level so increased as a consequence of the saltcedar invasion that cottonwoods and willows could not reestablish if the saltcedars were removed, thus eliminating sw WIFL breeding habitat. While this may be true in some areas, salinity and water table depth at the major sw WIFL breeding sites is suitable and cottonwoods and willows are in fact growing at these sites; they are not more abundant because of competition from the saltcedar (personal observation, DeLoach).

Athel and wildlife. The literature contains little information on the effects of athel in the environment, probably because it seldom occurs in large or dense stands. However, Hunter (1984) reported that nearly all the summer tanagers observed along the lower Colorado River often abundant on saltcedar, although few other birds occurred there. Even populations of the exotic leafhopper, Opsius stactogalus, are low on athel trees (DeLoach, observations in Trans Pecos, TX, 1988). Although little documented, athel likely uses water and cause streams to dry up as does saltcedar. For example, in Death Valley National Monument, CA, athel trees planted near the headquarters building grew rapidly to a large size, and the springs dried up and the wildlife abandoned the area. When the athel trees were cut down and the stumps killed the springs flowed again and the wildlife returned (Rolands, 1989).

All ecotypes of the Diorhabda beetles that we tested are absolutely host specific to plants in the order Tamaricales – primarily saltcedars, to a lesser degree on athel, and to a much lesser degree on Frankenia. The most influential life stage in determining host selection, and thus host specificity, is that of the adult females searching for and selecting a host plant on which to lay their eggs, and to a lesser extent, of larval survival and development on the selected plants.

Saltcedar Control

Conventional Controls. Saltcedars are difficult to control by mechanical methods, fire or many herbicides because of their ability to resprout from underground crowns or roots and to reinvade from their windblown or waterborne seeds. The effectiveness and use of herbicides were reviewed by Sisneros (1991) who reported that Arsenal® (chemical name: imazapyr) used as an aerial

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spray alone or mixed with Rodeo® (glyphosate) to reduce costs, and Garlon® 4 (triclopyr) as a cut-stump or stem-slash treatment; both provide good control. Arsenal is a broad spectrum herbicide (except for legumes) and the label lists 176 species that it controls, including saltgrass which is a valuable pasture grass in saline areas where saltcedar grows, and cottonwoods and willows (BASF 2004). Aerial applications are inappropriate in natural areas of mixed vegetation where the objective is to kill the invading weed and preserve the beneficial and native plants. Hand applications may cause little or no damage to non-target plants but are prohibitively expensive for large areas. On the Pecos River near Artesia, NM, ca. 2000 ha of saltcedar was treated from 2001 to 2004, with 85 to 90% kill (Duncan and McDaniel, 1998). Along the Pecos River, TX, from 1999 through 2004, 5,169 ha of saltcedar along 434 km of river and tributaries was treated at a cost of $2.5 million $407 per ha (Hart et al., 2000, Hart, 2005); present cost is now $610/ha. In both areas, regrowth has taken place in much of the area sufficient to need retreatment.

Biological Control of Saltcedar

Overseas explorations and preliminary testing of control insects. Preparations for a biological control of saltcedar program began in the late 1960s when Dr. Lloyd Andres, USDA-ARS, Albany, CA initiated contracts for overseas explorations for natural enemies. These collaborators found over 300 species of promising saltcedar insects in Israel (Gerling and Kugler, 1973) and Pakistan (Habib and Hassan, 1982), along with scientists from his own laboratory (Pemberton and Hoover, 1980) and independently by Soviet Union and other scientists (Mityaev, 1958), and summarized by Kovalev (1995).

The research phase was begun by one of us

(DeLoach) in 1986 with a detailed review and risk analysis (DeLoach, 1989), at the request of, and with supplementary funding from, the USDI Bureau of Reclamation (BOR). Additional overseas explorations began in 1992 in France, Israel, China, Kazakhstan and China (DeLoach et al., 1996). They selected some 20 insects for preliminary testing overseas and in U.S. quarantine, and then agreed on the leaf beetle, Diorhabda elongata Brullé, as the first insect to be fully tested for release. DeLoach and technicians tested it in quarantine at Temple, TX beginning in 1992. The project was joined in 1998 by the newly organized ARS Exotic and Invasive Weeds Research Unit (EIWRU), Albany, CA, led by one of us (Carruthers), who also tested the insects.

Regulatory clearances: APHIS-PPQ (and TAG), FWS, State Departments of Agriculture, NEPA. A petition to begin the research was submitted to the USDA/APHIS/Plant Protection and Quarantine (PPQ), Technical Advisory Group for Biological Control of Weeds (TAG) (DeLoach, 1989) and was approved in 1991. A second petition requesting release of the beetles was submitted to APHIS-PPQ in March 1994. However, the proposed listing of the southwestern willow flycatcher (sw WIFL) (Empidonax trailii extimus) as federally endangered in March 1993 required the preparation of a Biological Assessment (DeLoach and Tracy, 1997) and consultation with FWS under Section 7 of the Endangered Species Act. DeLoach and Gould (1998) then prepared a “Research Proposal” to FWS with proposed conditions for release and monitoring at 10 specified sites in TX, CO, WY, UT, NV and CA, all sites at least 360 km from where the sw WIFL nested in saltcedar. Approvals from state Departments of Agriculture in TX, CO, WY, UT, NV, and CA were received during 1998 and 1999. An Environmental Assessment was published by APHIS on 18 March 1999, a Letter of

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Concurrence was issued by FWS on 3 June 1999, a Finding of No Significant Impact (FONSI) was issued by APHIS on 7 July, and APHIS permits to release in the field cages were issued during July 1999; all contained the restrictions of the Research Proposal. This satisfied all requirements of the National Environmental Policy Act (NEPA) as amended in 1982.

For the southern adapted Diorhabda beetles, a separate petition for release was sent to TAG on 20 June 2003 and approved on 12 August 2003. A Letter of Concurrence from FWS was issued on 13 June 2003 for 6 sites in Texas and New Mexico. A state-wide Letter of Concurrence to release anywhere in Texas was issued by FWS on 1 September 2003.

Saltcedar Biological Control Consortium (SC/BCC). We organized the SC/BCC in November 1998 to provide coordination between agencies and for input, guidance and oversight in the research program from user and environmental organizations (Stenquist, 2000). In April 2005, we organized the Texas, New Mexico, Mexico section of the SC/BCC to provide guidance and coordination for the special circumstances encountered in this southern area: the need for different ecotypes of the Diorhabda leaf beetle and complete host range and biological testing of them, conflicts of interest over non-target damage to athel in Mexico, and obtaining establishment and control in different climatic zones and habitats. Standing committees include Science and Research; Wildlife and Environment; Federal, State, Private Liaison; U.S./Mexico Relations; Native American Relations; and Public Education/Information.

NORTHERN ADAPTED DIORHABDA BEETLES

The biology and preliminary host range testing of the Fukang, China/Chilik, Kazakhstan ecotype of the Diorhabda beetles was conducted by our cooperators in Kazakhstan, China and Turkmenistan and completed in quarantine by ARS at Temple, TX and Albany, CA.

Biology. Both adults and larvae of the Fukang/Chilik Diorhabda ecotype feed on the foliage of saltcedar and the large larvae also de-bark small twigs, causing the distal foliage to die and producing much more damage than simply the amount they consume. The larvae pupate and the adults overwinter under litter beneath the trees. In the laboratory, an average Fukang female oviposited 194 eggs and in field cages population increases of up to 30-fold per generation were not uncommon (Lewis et al. 2003b). These beetles, from 43°-44° N in Asia, are adapted to long summer daylengths. They reproduced well north of the 38th parallel and produced two generations per year (Lewis et al. 2003b, Bean et al., in press a) but did not overwinter south of the 38th parallel in Texas and New Mexico.

Chemical pheromones and plant attractants. One of us (Lewis) and our cooperators, Allard Cossé, Bob Bartelt and others (USDA-ARS, Peoria, IL) isolated and now have synthesized a Diorhabda aggregation pheromone consisting of two complex alcohols produced by the males, which differ in ratio of the two alcohols in the different beetle ecotypes (Cossé et al., 2005). It was used by Earl Andress (USDA-APHIS, Barstow, CA) as an effective aid in monitoring Fukang beetle dispersal at Lovelock, NV and Tom Dudley (University of California, Santa Barbara) used it to retain adults at the release site and improve establishment.

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Host range. The most critical aspect of biological control of weeds is safety; i.e., to insure that the released control agents do not damage non-target plants, or at least that a predicted small amount of damage is acceptable in order to control a much more damaging, invasive weed. To accomplish this, we release only control agents proven to be highly host specific to the target weed.

Testing procedures. In testing the host specificity of the Diorhabda beetles, we used the centrifugal-phylogenetic method described by Wapshere (1974) in which the plants most closely related to the target weed (same genus) are tested first, and more and more distantly related plants (same family or order) next, until the limits of the control agentʼs host range is defined. We also included testing of critical plants (Frankenia and athel), testing all active stages of the insect control agent – selection of the host plant by the adults, selection of the plant for oviposition, development and survival of larvae, and survival and reproduction through multiple generations on different plants, and testing with and without the target weed present. We also used several methods recently suggested by Breise (2005) such as DNA analysis rather than only traditional plant morphology to determine plant relatedness (our test plant list was approved by TAG), and outdoor caged and uncaged tests. By these methods, failure to identify the potential for non-target damage historically never has occurred.

We tested the Diorhabda Fukang/Chilik ecotype extensively at Temple after 1992 and also at Albany after 1998. Its ability to develop, reproduce and complete its entire life cycle was tested on 84 test plant accessions, including 6 species and 26 accessions of Tamarix, 4 species of the somewhat related and native Frankenia, and 71 species of more distantly related plants, habitat associates,

agricultural crops, and ornamental plants in 24 families in 24+ tests over 14 years (DeLoach et al. 2003, Lewis et al. 2003a, Milbrath and DeLoach 2006a,b).

Laboratory tests. Lewis et al. (2003a) compared Fukang larval survival between Tamarix and Frankenia in tests conducted in sleeve bags. These tests demonstrated conclusively that the Fukang/Chilik ecotype can feed as larvae or adults, is attracted to and lays eggs on, and can complete its entire life cycle only on species of two plant genera in the order Tamaricales – Tamarix in the family Tamaricaceae and Frankenia in the family Frankeniaceae. They reproduced well and heavily damaged T. ramosissima/T. chinensis in cages but less well on T. parviflora and T. canariensis. However, their response to Frankenia in cages was so low that completion of their life cycle was rare, and they are not expected to sustain a population on these plants in the field. In the various tests, development and reproduction on athel (T. aphylla), was only 10 to 26% of that on the target saltcedars. The beetle is expected to feed on and colonize athel to a minor extent after release, but not to cause important damage to the trees. However, the Fukang/Chilik ecotype is not adapted to the southern areas and is not expected to come in contact with athel.

Open field tests. Open-field tests were made throughout most of the growing season from June and including the large population peak during late August and September when the saltcedar stands were under massive attack and defoliation.

Fukang beetles, NV and UT. At Lovelock, NV, 12 pots of F. salina and 4 of F. jamesii and at Lovell, WY, 25 pots of F. salina were placed among the saltcedar stands. At Lovelock, NV only 3 adults and no adults or eggs and a maximum of 2-4% (mostly test nibbling by the

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beetles) on the Frankenia all season. During this period, while defoliation of saltcedar increased from 2 to 86% and the density of starving larvae crawling across the ground reached 3400/m2. At Lovell, only 1 adult and no larvae and no evidence of feeding on the Frankenia plants was seen (Dudley and Kazmer, 2005).

Releases of Diorhabda beetles into the open field and control obtained. The Diorhabda beetles (Fukang/Chilik ecotype) were placed into field cages at the 10 approved sites in TX, CO, WY, UT, NV and CA by us and our cooperators during the summers of 1999 and 2000 and released into the open field from May 2001 (most sites) through the summer of 2002. Nine of the 2001-02 releases were of beetles from Fukang and one release (at Delta, UT) with beetles from Chilik (which seem identical to the Fukang beetles). The beetles established (overwintered and increased in numbers during the following year) at five of the six sites north of the 38th parallel but not at any of the four sites south of there (DeLoach et al. 2004). (The 37th parallel is the northern border of Arizona, New Mexico and Oklahoma). We estimated defoliation of saltcedar over the land area infested (not canopy cover of saltcedar) at the sites from low-level, high-resolution aerial photography or by ground observations.

At the best site at Lovelock, NV, after releasing 1,400 adult beetles in May, 2001, we found numerous beetles but no damage to saltcedar during that summer and through early summer of 2002 but the 2nd generation of large larvae in late August 2002 completely defoliated 1 ha of saltcedar. The defoliation increased to 5 ha by late June 2003; to 200 ha by August 2003 and to 2,000 ha by August 2004. By the fall of 2005, nearly every saltcedar tree within a 26,000 ha area (not continuous saltcedar) was 95-100% defoliated and the beetles had dispersed over

260 km along the Humboldt River and Sink (Carruthers et al. 2006). Near Schurz, NV, the beetles had defoliated ca. 1,200 ha along the Walker River and dispersed 110 km downstream by August 2005. Along the Sevier River west of Delta, UT they had defoliated 1,200 ha and dispersed 50 km along the river, and now are being redistributed to other sites in Utah. For example, at Potash on the Colorado River near Moab, UT, three releases of ca. 10,000 beetles each in August 2005 had spread 11 miles along the river and defoliated essentially all of the saltcedar within 1 year, by August 2006. On the Bighorn River near Lovell, WY, 3,200 ha has been defoliated and on the Arkansas River west of Pueblo, CO 120 ha. The opportunity for further spread at Pueblo was restricted because the city controlled the saltcedar in a large area surrounding the site and regularly sprays insecticides on an even larger area for mosquito control, starving or killing any migrating beetles. Since 2001, additional releases have been made of the Fukang ecotype at sites in Montana and Oregon but they have not established at either site.

When the Fukang/Chilik ecotype was released south of the 37th parallel they ceased ovipositing after July 10, and none survived the winter. Laboratory experiments revealed that these beetles (from latitudes of 43-45°N in Asia) required at least 14 hr 45 min of daylight to remain active. At our sites south of the 37th parallel, daylength is never this long and the beetles began overwintering diapause when daylength began decreasing after June 21. During the 8-9 months until food became available in the spring, the adults starved (Lewis et al. 2003b). However, the Fukang beetles (released by one of us, Thompson) now seem to have adapted, have overwintered and may be established near Artesia, NM.

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SOUTHERN ADAPTED DIORHABDA BEETLES

Discovery. Since the Fukang/Chilik beetles did not establish south of the 38th parallel, one of us (Carruthers) searched for and discovered Diorhabda elongata in Crete, Greece in September 2001; our cooperator from Thessaloniki, Greece, and other cooperators found ecotypes from Sfax, Tunisia; Karshi and Buchara, Uzbekistan; and Turpan, Xinjiang Autonomous Region, China in 2002. They were shipped to the U.S. and tested in Quarantine at Temple, Albany, and at New Mexico State University, Las Cruces, NM.

Identification. Specimens of the southern adapted ecotypes were identified for us as Diorhabda elongata Brullé by the leading world taxonomic specialists in this group (Prof. Igor Lopatin, Belarus State University, Minsk, Belarus and Dr. Alexander Konsantinov, USDA-ARS Systematic Entomology Laboratory, Beltsville, MD); neither of whom recognized subspecies. However, after beginning research on these beetles, we noticed small differences in their biology and morphology and began detailed morphological comparisons. These studies indicated that the different ecotypes of the Tamarix-feeding Diorhabda beetles could be grouped by area of origin into 4 morphotypes indicating the probablility of 4 separate but closely related sibling species, plus another from Iran not yet introduced into the U.S. These findings are corroborated by cross-mating experiments by one of us (Thompson at Las Cruces); Bean et al. (2007b) at Albany; DNA analyses of the various ecotypes by David Kazmer (USDA-ARS, Sidney, MT), and differences in aggregation pheromones between these types by Cossé et al. (2005). Until the results are published, we refer to those beetles as ecotypes from the various areas of collection.

Biology. The general biology of the short-daylength adapted Diorhabda ecotypes is similar to that of the Fukang/Chilik ecotype. In quarantine tests at Albany, CA three of the new ecotypes received (Greek, Tunisian, Uzbek) appear to be adapted to short daylengths south of the 37th parallel (Bean et al., 2007b): the Turpan ecotype was released at Seymour, TX (did not establish) and at John Martin Reservoir, CO (established well but then drowned in a flood). The Turpan beetles oviposit the fewest eggs per mass, the Crete beetles seem to reproduce more rapidly in field cages, and the Uzbekistan beetles oviposit up to half their eggs on small stems while the other ecotypes oviposit mostly on the foliage. Data from Big Spring, TX in the 2005 open field studies, indicate that the Crete ecotype has four or five adult generations per year there. The aggregation pheromone isolated from the Fukang ecotype failed to attract the Crete ecotype in field tests conducted by two of us, at Big Spring (Knutson) and at Kingsville (Moran).

Host Range Testing of Southern Adapted Diorhabda Beetles from Crete, Greece; Sfax, Tunisia; Karshi, Uzbekistan; and Turpan, China. We used the same system of testing for the northern-adapted Fukang/Chilik ecotype described above. We tested the host range of four ecotypes of Diorhabda beetles at Temple and Albany from 2002 to 2005: from a) Greece, b) Uzbekistan, c) Tunisia, and d) Turpan, China; and the Fukang ecotype was included for comparison. We tested these beetles using five species and hybrids of Tamarix from 31 locations in TX, NM, CO, WY, NV, and CA; 4 species of Frankenia from 6 locations in TX, CO, CA; and 60 species of more distantly related, agricultural/horticultural, and habitat associates from 24 plant families.

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Larval Host Range. Larval survival was tested at Temple, using 5,210 larvae in no-choice tests in vials (in the laboratory) or sleeve bags (in outdoor cages) from egg hatch to pupation or adult emergence.

Closely related plants. In general, the Turpan larvae (Temple tests) had the highest survival rate on all the test plants, averaging 81% on all saltcedars, 67.5% on athel, and 65.3% on the 3 Frankenia species (Table 1).

Distantly related plants. In no-choice tests in vials in the laboratory and in sleeve bags in the greenhouse or outdoors, we tested larvae of the Crete, Sfax, Karshi and Turpan beetles on 15 agricultural and 13 other distantly related plants (9 species of subclass Caryophyllidae in 5 orders and 4 more distantly related habitat associates). All larvae died in the first instar without feeding (Milbrath and DeLoach, 2006a). Similar results were obtained with the Fukang ecotype by DeLoach et al. (2003): all larvae died in the first instar without feeding.

Adult Ovipositional Host Range. We tested adults in no-choice, paired choice (test plant plus a saltcedar) and multiple-choice tests (saltcedars plus other plants); in sleeve bags, in 0.3 or 0.5 m3 cages in the greenhouse or outdoors, and in large 10 X 10 X 6 (h)ft (3.048 X 3.048 X 1.8288 m = 16.9 m3) or 17.0 m3 cages outdoors.

Oviposition on saltcedar vs. athel and Frankenia. In no-choice tests in small, outdoor cages with a saltcedar plant and a known non-host plant (willow) we found no significant differences between the Sfax, Karshi and Turpan beetles on the T. ramosissima X T. chinensis hybrid from Pueblo, CO (Milbrath and DeLoach, 2006a).

In paired-choice tests comparing a T. ramosissima X T. chinensis hybrid from Pueblo, CO with an F. jamesii or F. johnstonii in small (0.3 m3), outdoor screen cages, the Crete, Sfax, Karshi and Turpan Diorhabda ecotypes oviposited almost exclusively on the saltcedar. They laid only 4 eggs on F. jamesii (by a Sfax beetle) compared with 2,040 eggs on saltcedar, and 9 eggs on F. johnstonii (4 by Sfax and 5 by Karshi beetles) compared with 1,682 eggs on saltcedar. Oviposition was not different between the cage walls and Frankenia, indicating a clear lack of preference for the Frankenia (Milbrath and DeLoach, 2006a). In similar greenhouse tests at Albany by one of us (Herr), comparing T. ramosissima and F. salina, females from Sfax laid ca. 16% of their eggs on F. salina, Crete females ca. 11%, Karshi < 1%, and Turpan 4-8%. In a paired-choice, field test in large outdoor cages at Cache Creek, Yolo County, CA, Crete females placed only ca. 4% of their eggs on F. salina and 94% on T. parviflora (J.C. Herr et al., ARS-Albany, and manuscript in preparation).

In multiple-choice tests in large (17 m3), outdoor cages (Table 2), which we believe provide the most realistic results among the cage tests, our tests at Temple showed generally similar levels of oviposition by the 4 Diorhabda ecotypes tested on the 4 to 7 accessions of T. ramosissima or T. chinensis and hybrids (the major weedy species). Eggs laid by the females of the three southern ecotypes tested on the different test plants (Milbrath and DeLoach 2006a, b) is given in Table 2. In similar tests in large, outdoor cages, J.C. Herr et al. (manuscript in review) (ARS, Albany, CA) obtained greater differences between test plants, with an average of ca. 49% of the total eggs laid on T. ramosissima, 14% on T. parviflora, 23% on athel, 12% on F. salina (inland type), 1% on F. salina (coastal type) and 1% on F. jamesii.

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Reproductive index. We calculated a simplified reproductive index for the four Diorhabda beetle ecotypes (from China, Greece, Tunisia, and Uzbekistan) on three host plant types (saltcedars, athel and Frankenia) by multiplying percent larval survival on each plant type by the percent of eggs laid on each plant type in multiple-choice tests in large outdoor cages. Using the data from our tests at Temple, we calculated this index on saltcedars, athel, and the three Frankenia species. The Tunisian beetles had the lowest index on all three plant types, especially on athel.

Tests of Frankenia with and without the Tamarix host plant. We tested the Crete and Fukang beetles (separately) on Frankenia in multiple-choice tests in large outdoor cages, with (Test A3) and without (Test A4) their Tamarix natural host plant (Milbrath and DeLoach 2006a), The percentage of total eggs laid (mean of Crete and Fukang beetles) on Frankenia salina increased only slightly from 0.0% with the Tamarix plant to 4.5% without the Tamarix plant. When a Tamarix plant was present, 26% of the eggs were laid on it and 74% on the cage walls; when a Tamarix plant was not present, 95.5% were laid on the cage wall. The response of the Fukang beetles was similar. No eggs were laid on F. johnstonii or F. jamesii in either test. This test demonstrated that if the beetles reduce the saltcedar stands they are unlikely then to begin searching for and ovipositing on Frankenia.

Testing of adaptation to Frankenia. Lewis et al. (2003a) at Temple, TX compared reproduction of adult Fukang beetles on saltcedar vs. Frankenia in the laboratory, using adults obtained from larvae reared on these plants. Survival of the larvae was much lower on the Frankenia (their paragraph 2.4.2, Test LA1) and the adults of the next generation laid much fewer eggs and lived for a shorter

time. In greenhouse studies at Albany, CA (J.C. Herr et al., manuscript in review) has reared three successive generations (of a planned 10 generations) of Crete beetles on F. salina. Larval survival and adult reproduction remained low, with no indication of the development of a beetle strain better adapted to Frankenia.

Comparison of host selection by Crete beetles for saltcedar, athel and Frankenia in small vs. large cages and in no-choice, paired-choice, and multiple-choice tests in outdoor tests at Temple, TX. In general, many fewer adults and eggs were found on athel than on saltcedar in the large than in the small cages and in the multiple-choice than in the no-choice or paired-choice tests. In the multiple-choice tests in large cages, only 11.3% of all adults selected athel for alighting and females laid only 5.86% of all eggs on athel. Females in the large cages laid no eggs on either F. jamesii, F. johnstonii or F. salina.

These results probably mean that if the beetles in the open field are located in or near a stand of saltcedar with some athel they will feed and oviposit on both (but more on saltcedar than on athel) but if these plants are farther from the beetles and in a more diverse plant community they receive less of the plant aroma and find the plants less frequently, especially for athel. The potential for the Diorhabda beetles to damage Frankenia, or even to maintaining a population on it, seems insignificant. These values should be further reduced by larval survival on athel (75%), giving an estimate of only 4.4% of all eggs laid on athel. In the field, survival to the adult stage would be further reduced by predation and other mortality factors.

Open-Field, Uncaged Tests. This method provides the most natural and most reliable estimate of non-target

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well and produced large populations that defoliated the saltcedars. Moran first placed larvae

of each beetle type in sleeve bags on the local saltcedar and athel in no-choice tests. They laid

ca. twice as many eggs on saltcedar as on athel but both ecotypes developed well and the

larvae of both defoliated both saltcedar and athel in the bags. He then released the adults

produced into the open on both saltcedar and athel trees growing nearby. At 2 weeks after

release, he found ca. 2 adults per m green foliage on saltcedar and 3 to 4 per m after 6 weeks;

on athel these numbers were near zero at 2 weeks but increased to 70% as many as on

saltcedar at 6 weeks. The beetles produced proportional numbers of egg masses on saltcedar

but only a few on athel and only at 6 weeks. By 12 weeks, very few or no adults, eggs or

larvae remained on either saltcedar or athel. On the roadside athel trees, both Crete an

Tunisian adults in sleeve bags fed and oviposited and the larvae developed but when the bags

were removed the adults flew away and the population soon fell to zero.

Big Spring tests. In 2005, one each of the saltcedar, athel and Frankenia test plants were

transplanted together into ten 1 m diameter plots placed at random along the edge of the

saltcedar stand where the advancing wave of beetles was approaching and flying onto the test

plants. Total numbers counted during counts each 1-3 weeks during the season (15 June to 15

September) were:

Numbers and % of total

Test plant Adults Egg masses

Saltcedar 1218 (60.0) 121 (83.4)

Athel 809 (39.8) 24 (16.6)

Frankenia 4 (0.2) 0 (0.0)

Total 2031 (100.0) 145 (100.0)

In 2006, DeLoach et al. modified the experimental design by placing stations along two

transects within the saltcedar stand, one parallel and one perpendicular to the creek. Each

station had three 1-m diameter plots 7 m apart, one with one saltcedar plant, one with on athel

plant, and one with one saltcedar, one athel and on F. salina plant. The greatest number of

individual eggs (not masses) (total of the 3 replications of the means of numbers for each

plant during the season) were found in the plots with saltcedar, and in the plots containing

both athel and saltcedar, as follows:

Plot arrangement Mean number eggs (% of total)

Saltcedar 98.6 (51.1) Plants together in the same plot

Athel 35.0 (18.1)

Saltcedar 42.5 (22.0) Plants separate in different plots

Athel 16.9 (8.8)

Total 193.0 (100.0)

In both years, the beetles strongly preferred saltcedar instead of athel for oviposition.

Apparently in 2006, the small amount of added biomass in the plots with all three plants was

sufficient to provide greater attraction to the beetles than the single plants. The combined

open-field tests by Moran at Kingsville and by DeLoach at Big Spring demonstrate that the

Crete and possibly also the Tunisian beetles will not cause enough damage to athel to make it

unsatisfactory as a shade tree or for windbreaks. The tests are not ideal because the controls

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well and produced large populations that defoliated the saltcedars. Moran first placed larvae

of each beetle type in sleeve bags on the local saltcedar and athel in no-choice tests. They laid

ca. twice as many eggs on saltcedar as on athel but both ecotypes developed well and the

larvae of both defoliated both saltcedar and athel in the bags. He then released the adults

produced into the open on both saltcedar and athel trees growing nearby. At 2 weeks after

release, he found ca. 2 adults per m green foliage on saltcedar and 3 to 4 per m after 6 weeks;

on athel these numbers were near zero at 2 weeks but increased to 70% as many as on

saltcedar at 6 weeks. The beetles produced proportional numbers of egg masses on saltcedar

but only a few on athel and only at 6 weeks. By 12 weeks, very few or no adults, eggs or

larvae remained on either saltcedar or athel. On the roadside athel trees, both Crete an

Tunisian adults in sleeve bags fed and oviposited and the larvae developed but when the bags

were removed the adults flew away and the population soon fell to zero.

Big Spring tests. In 2005, one each of the saltcedar, athel and Frankenia test plants were

transplanted together into ten 1 m diameter plots placed at random along the edge of the

saltcedar stand where the advancing wave of beetles was approaching and flying onto the test

plants. Total numbers counted during counts each 1-3 weeks during the season (15 June to 15

September) were:

Numbers and % of total

Test plant Adults Egg masses

Saltcedar 1218 (60.0) 121 (83.4)

Athel 809 (39.8) 24 (16.6)

Frankenia 4 (0.2) 0 (0.0)

Total 2031 (100.0) 145 (100.0)

In 2006, DeLoach et al. modified the experimental design by placing stations along two

transects within the saltcedar stand, one parallel and one perpendicular to the creek. Each

station had three 1-m diameter plots 7 m apart, one with one saltcedar plant, one with on athel

plant, and one with one saltcedar, one athel and on F. salina plant. The greatest number of

individual eggs (not masses) (total of the 3 replications of the means of numbers for each

plant during the season) were found in the plots with saltcedar, and in the plots containing

both athel and saltcedar, as follows:

Plot arrangement Mean number eggs (% of total)

Saltcedar 98.6 (51.1) Plants together in the same plot

Athel 35.0 (18.1)

Saltcedar 42.5 (22.0) Plants separate in different plots

Athel 16.9 (8.8)

Total 193.0 (100.0)

In both years, the beetles strongly preferred saltcedar instead of athel for oviposition.

Apparently in 2006, the small amount of added biomass in the plots with all three plants was

sufficient to provide greater attraction to the beetles than the single plants. The combined

open-field tests by Moran at Kingsville and by DeLoach at Big Spring demonstrate that the

Crete and possibly also the Tunisian beetles will not cause enough damage to athel to make it

unsatisfactory as a shade tree or for windbreaks. The tests are not ideal because the controls


damage by the Diorhabda beetles, provided that locations can be found where suitable comparisons may be made. Two of us conducted open-field tests, in 2005 and 2006 – near Kingsville, TX (Moran) and near Big Spring (DeLoach). At Kingsville, Moran released Crete and Tunisian beetles into a 14 ha tract of saltcedar interplanted with ca. 25 athel trees then of about the same size (3 to 4 m tall), where no Diorhabda beetles were present, and also onto large (10-12 m tall) roadside athel trees. The saltcedar trees were a mixture of Tamarix species and hybrids including eight different combinations of four haplotypes – T. canariensis, T. gallica, T. chinensis and T. ramosissima. At Big Spring, DeLoach did the opposite – he planted 1-m tall test plants of saltcedar and athel, and 20 cm tall Frankenia salina plants among a stand of saltcedar where the Crete beetles were released the previous year and that were defoliating the saltcedar. The saltcedar at Big Spring was a mixture of T. chinensis and hybrids of it and T. ramosissima.

Kingsville tests. At Kingsville, the beetles, both Crete and Tunisian, were produced on site in large nursery cages over local saltcedar plants. Both beetle ecotypes fed and oviposited well and produced large populations that defoliated the saltcedars. Moran first placed larvae of each beetle type in sleeve bags on the local saltcedar and athel in no-choice tests. They laid ca. twice as many eggs on saltcedar as on athel but both ecotypes developed well and the larvae of both defoliated both saltcedar and athel in the bags. He then released the adults produced into the open on both saltcedar and athel trees growing nearby. At 2 weeks after release, he found ca. 2 adults per m green foliage on saltcedar and 3 to 4 per m after 6 weeks; on athel these numbers were near zero at 2 weeks but increased to 70% as many as on saltcedar at 6 weeks. The beetles produced proportional numbers of egg masses on saltcedar but only a few on athel and only at 6 weeks. By 12 weeks, very few

or no adults, eggs or larvae remained on either saltcedar or athel. On the roadside athel trees, both Crete an Tunisian adults in sleeve bags fed and oviposited and the larvae developed but when the bags were removed the adults flew away and the population soon fell to zero.

Big Spring tests. In 2005, one each of the saltcedar, athel and Frankenia test plants were transplanted together into ten 1 m diameter plots placed at random along the edge of the saltcedar stand where the advancing wave of beetles was approaching and flying onto the test plants. Total numbers counted during counts each 1-3 weeks during the season (15 June to 15 September) were:

In 2006, DeLoach et al. modified the experimental design by placing stations along two transects within the saltcedar stand, one parallel and one perpendicular to the creek. Each station had three 1-m diameter plots 7 m apart, one with one saltcedar plant, one with on athel plant, and one with one saltcedar, one athel and on F. salina plant. The greatest number of individual eggs (not masses) (total of the 3 replications of the means of numbers for each plant during the season) were found in the plots with saltcedar, and in the plots containing both athel and saltcedar, as follows:

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In both years, the beetles strongly preferred saltcedar instead of athel for oviposition. Apparently in 2006, the small amount of added biomass in the plots with all three plants was sufficient to provide greater attraction to the beetles than the single plants. The combined open-field tests by Moran at Kingsville and by DeLoach at Big Spring demonstrate that the Crete and possibly also the Tunisian beetles will not cause enough damage to athel to make it unsatisfactory as a shade tree or for windbreaks. The tests are not ideal because the controls at Kingsville did not strongly attack the local saltcedar which was the experimental control. Nevertheless, they attacked athel very slightly and the adults did not remain on the athel plants; they apparently flew away in search of more preferred host plants.

At Big Spring, the huge population of beetles in late August overwhelmed all the test plants located very near the saltcedar stand, but did not do this with plants only 20 m from the saltcedar stand. Although we did not expect such a strong attack, some of it from larvae falling directly on the test plants or crawling across the ground to them, this would be the expected result.

Conclusions

1) All the Diorhabda ecotypes we have studied and tested, from Greece (Crete, Posidi), Tunisia (Sfax), Uzbekistan (Karshi), Fukang, China/Chilik, Kazakhstan), are totally restricted in their ability to complete their life cycle to two genera of the only two families of the small order Tamaricales – Tamarix (Tamaricaceae) and Frankenia (Frankinaceae). A few other small genera of both families occur in Eurasia and maybe Africa that we were not able to test; they could be host plants but they do not occur in the Western Hemisphere. We foresee

essentially zero possibility that the Diorhabda beetles will damage any other plants, except for saltcedar, much less on athel, and only a low possibility of small damage on Frankenia. With all plants outside of the Tamaricales, females laid zero eggs, and larvae placed on the plants all died during the 1st instar without feeding.

2) Ovipositional host selection is the most important life stage that determines host range of these beetles. Larvae appear to have a broader host range (they can develop on athel and Frankenia more readily than the other life stages) but this is unimportant in nature because the females lay few eggs on these plants.

3) Adults are attracted to athel much less than to saltcedar.

4) Adult females are attracted to athel for egg laying less than are adults for alighting/feeding.

5) We found only small differences in behavior, including host range, between the different ecotypes we tested. However, some characteristics were disturbing, for example the very high survival and development of larvae of the Turpan, China ecotype on T. parviflora, T. canariensis/T. gallica, athel and Frankenia. Although larval survival may be of little importance, we recommend against releasing the Turpan ecotype until further testing demonstrates that it is safe.

6) The Crete and Tunisian ecotypes appear to be the best adapted to the more southern regions from central Texas southward. The Uzbek ecotype appears to be better adapted farther north such as at Lake Meredith, TX.

7) Within their area of adaptation, the Fukang, Crete

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and maybe Uzbek ecotypes appear capable of providing 95-98% defoliation of saltcedar and increasing numbers of dead trees after 4-5 years of defoliation.

8) The attraction to and ability to develop and increase on Frankenia is so low that we doubt that the beetles can develop a sustainable population on it in nature, and will produce no visible damage.

9) In cages, adult females will oviposit on athel and larvae will develop on it almost as well as on saltcedars. However, in the open field, the adults are little attracted to athel, especially for oviposition, and when released they appear to simply fly away in search of a better host plant. We predict that if athel trees grow within or adjacent to a saltcedar stand being defoliated, that the beetles may oviposit on it to some degree, and the larvae (and adults) may cause some defoliation of athel, but this probably will be transitory and the athel trees will regrow the next year after the beetle population decreases on the saltcedar.

10) Although we have little investigated the natural regrowth of native plants after saltcedar control, we predict that native plant communities will recover rapidly if soil salinity is not too high, the water table is not too low, and seed-producing native plants still occur in the area. At our release sites, substantial saltcedar regrowth occurs each spring for several years. In most areas in Texas that we have seen, numerous willows, and other native trees, shrubs, forbs and grasses are present that can regrow rapidly after the saltcedar canopy is reduced. We predict that wildlife and fish habitat will improve after saltcedar control and that wildlife populations will increase.

11) At all of our release sites, the Diorhabda beetles alone are defoliating the saltcedar – no herbicides have

been applied at any of our sites. However, herbicides may be applied if control is needed quickly, and we believe the beetles can provide effective maintenance control following herbicidal or other treatments. Such tests are now in progress. At all of our sites, the beetles have returned after each defoliation to again feed on and control the regrowth and any reinfestation.

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CAPÍTULO 11

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SECCIÓN II


Capítulo 12

F. BAHENA-JUÁREZ. Campo Experimental de Uruapan. INIFAP, Uruapan, Mich., México.

Resumen

En México, el manejo de cultivos se ha sustentado en el suministro permanente de insumos externos y para el caso del combate de plagas la única opción “viable” ha sido recurrir al uso sistemático de los plaguicidas de síntesis química. Estas aplicaciones de agroquímicos han generado problemas colaterales que en un principio probablemente no se tenían previstos. Como una respuesta surgió desde los años 70´s el concepto de Manejo Integrado de Plagas, que se encuentra sustentado en un uso de plaguicidas que depende del nivel de poblaciones y daño de las plagas; consiste en la combinación de métodos de control, entre los cuales se incluye al control biológico, la resistencia de las plantas a la plaga, el control cultural y el control químico

Manejo Agroecológico de Plagas, Una Opción Necesaria Para la Sostenibilidad de la Agricultura en México

Agroecological Pest Management, a Necessary Option for Sustainable Agriculture in México

apoyado por conceptos como el Umbral Económico, que ayudan a la toma de decisiones; sin embargo, ahora se reconoce que en muchos casos con el MIP, solamente se trató de un manejo inteligente o racional de plaguicidas. Recientemente ha surgido un nuevo concepto que se conoce como Manejo Agrocológico de Plagas; en este nuevo enfoque, se hace mayor énfasis al carácter agroecológico y sostenible de los agroecosistemas, junto con el interés por la productividad. Se sustenta no sólo en las técnicas alternativas que sustituyen el uso de los insecticidas, sino en el papel central que tiene el Control Biológico de plagas, con una visión holística e integradora. En este caso no se busca exterminar insectos sino de regular poblaciones para que éstas no causen daños económicos significativos. Procura la restauración de la biodiversidad funcional que reactive el control biológico, y se complementa con alternativas ecológicamente compatibles con las poblaciones de enemigos naturales.

Abstract

In Mexico, crop production has been based on the permanent use of external inputs, and for the insect pest combat the one “viable” option has been the systematic use of chemical insecticides. Agrochemical applications have generated collateral problems that probably were not taken into account. Since the 70´s the concept of Integrated Pest Management (IPM) emerged as an answer to those

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problems. IPM is sustained by the use of pesticides that depend on the insect population level, and the damage caused by them. IPM consists of the combination of pest control methods among which are biological control, plant resistance to pests, cultural control, and chemical control sustained by concepts such as the Economic Threshold that support decision taking. However, nowadays it is recognized that IPM consisted of nothing more than an intelligent or rational use of pesticides. A new concept known as agroecology has emerged recently, in which emphasis is placed on the sustainability of the agroecosystems, together with the importance of productivity. It is sustained not only by the alternative techniques that substitute the use of insecticides, but also by the central role of the Pest Biological Control, with an integrated and holistic vision. In this case, we try not to kill all insects, but to regulate their populations in order to not cause significant economic damage. This agroecological concept is aimed at restoring functional biodiversity in order to reactivate the biological control, and it is complemented with ecologically compatible alternatives that depend on natural enemy populations.

Introducción

Actualmente se reconocen los daños al ambiente y la creciente degradación de los recursos naturales, particularmente el del suelo y agua, como consecuencia de la práctica de una agricultura intensiva y “moderna” que pretende cada vez mayores niveles de producción por unidad de superficie. Este es el paradigma que se estableció con el auge de la “revolución verde” y que ahora es cuestionado, ya que las necesidades de alimentos no deben ser satisfechas a costa del deterioro de los recursos naturales. Ante este panorama se advierte que si no hay cambios en el manejo de los sistemas agrícolas

de producción, la degradación ambiental que estos están causando será una amenaza para la productividad agrícola y la seguridad alimentaria de la población mundial que tanto se esta buscando (FAO, 2007).

Sin duda, los efectos indeseables son visibles y no se discuten, lo que se debe encontrar ahora es un modelo alternativo de producción que los evite y para lograrlo se tendrá que ir a atender las causas mismas que los están originando, a fin de encontrar sistemas agrícolas de producción que tengan principios conservacionistas y de respeto al medio ambiente, que estén orientados hacia la sostenibilidad. En México, al igual que en muchos otros países subdesarrollados, el manejo de cultivos se ha sustentado, desde mediados del siglo pasado, en el suministro permanente de insumos externos y para el caso del combate de plagas la única opción “viable” que se ha venido aplicando desde entonces ha sido la de recurrir al uso sistemático de los plaguicidas de síntesis química (Restrepo, 1988 y Bejarano, 2002). Estas aplicaciones de agroquímicos realizadas en forma sistemática, mediante calendarios de aplicación y sin ninguna base técnica de uso razonable, han generado a través de los años problemas colaterales que en un principio probablemente no se tenían previstos (Arauz, 1997).

La preocupación cada vez mayor, que se da en el mundo por los daños al ambiente asociados a la agricultura, y particularmente en lo que se refiere al manejo de plagas con agroquímicos y por otra parte, la creciente necesidad de alimentos más limpios y libres de residuos químicos, han favorecido el auge de una nueva corriente de opinión que busca otras formas de hacer la agricultura (Kimbrell, 1998; Gómez et al., 2001); en este sentido, el desarrollo del concepto de Agricultura Sostenible ha sido una respuesta relativamente reciente a la preocupación por la degradación

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de los recursos naturales. La FAO (1991) adoptó dicho concepto, definiendo la actividad agrícola sostenible como “el manejo y conservación de los recursos naturales y la orientación de cambios tecnológicos e institucionales de manera que aseguren la satisfacción de las necesidades humanas de forma continuada para el presente y futuras generaciones”.

En relación al manejo de plagas, también están ocurriendo cambios que revaloran experiencias ya conocidas desde hace muchos años y se modifican esquemas y paradigmas que eran habituales en medios técnicos y científicos. Si en algo se está de acuerdo en los últimos años, es en la necesidad de modificar la forma de combatir las plagas, particularmente y con mayor énfasis en lo que se refiere a tratamientos sistemáticos con plaguicidas, con calendarios de aplicación, o el uso de productos de amplio espectro de “los que matan a todo” (El Titi et al., 1995). Desde hace algunos años, los aportes del Manejo Integrado de Plagas (MIP) están siendo revisados, dando ahora más crédito por sus resultados a las experiencias participativas que involucran a las comunidades y a los propios agricultores que viven los problemas (LEISA, 1998). Ahora se reconoce que en muchos casos, con el MIP solamente se trató de un “manejo inteligente o racional de plaguicidas” que se apoyaba en técnicas de muestreo y monitoreo para evitar que las poblaciones de plagas llegaran a alcanzar umbrales económicos preestablecidos o bien para decidir el momento más oportuno para aplicar un tratamiento químico (Moore, 1995). En la práctica del MIP, se fueron dejando de lado fundamentos ecológicos donde la integración, el control biológico y las prácticas culturales que estaban involucradas, lejos de ser el eje central de la estrategia de manejo fueron perdiendo relevancia (Pérez, 2004).

En el marco de lo que se ha definido como Agricultura Sostenible o Conservacionista, el manejo de plagas se ha venido redefiniendo y en este esquema los objetivos que se buscan es reducir gradualmente los problemas asociados al uso de plaguicidas, obteniendo rendimiento y calidad aceptable, y paralelamente minimizar los daños al ambiente y a la salud humana. Es evidente que para lograr lo anterior se requiere, desde nuestro punto de vista, avanzar simultáneamente en tres sentidos que son complementarios: 1) promover la biodiversificación de los agroecosistemas, 2) minimizar la utilización de plaguicidas químicos y adoptar a otros productos alternativos, y 3) implantar un Manejo Agroecológico de las Plagas (concepto diferente al conocido como “Manejo Integrado de Plagas”) (Bahena, 2003).

El Manejo Agroecológico de Plagas (MAP) se basa en la ciencia y principios de la agroecología y es parte de un manejo diferente de los cultivos, tiene una visión integradora y holística con todo el agroecosistema, no busca exterminar insectos sino que trata de controlar sus poblaciones para que éstas no causen daños económicos significativos. El MAP se sustenta en una restauración de la biodiversidad funcional que reactive el control biológico, el cual se complemente con alternativas ecológicamente compatibles como pueden ser las asociaciones y rotaciones de cultivo, manejo de arvenses, prácticas culturales, trampas, uso de semioquímicos, uso de extractos de plantas con propiedades adversas a las plagas, insecticidas biológicos, etc. (Bahena, 2003).

Origen y tipos de plagas agrícolas. Por principio se debe entender que las plagas no existen en la naturaleza y su definición se encuentra relacionada a la interacción que tienen los insectos u organismos con el hombre y particularmente cuando lo están perjudicando

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económicamente. En la naturaleza existen organismos consumidores (fitófagos) que viven a expensas de productores (las plantas), sus poblaciones se mantienen en equilibrio y solamente bajo ciertas condiciones ambientales incrementan su población más allá del promedio; y cuando esto ocurre hay una tendencia a volver a su estado normal de equilibrio (Gullan y Cranston, 1994). Se dice que surge un problema por plagas cuando un insecto u organismo compite con el hombre, por esto el termino “plaga” se puede definir como “aquel insecto u organismo que afecta directa o indirectamente a la especie humana, ya sea por que perjudique su salud, su entorno o que afecte su actividad agrícola, pecuaria y/o forestal, de donde el hombre obtiene sus alimentos, forrajes, textiles, maderas, productos, subproductos, materias primas, etc.” (Metcalf y Luckmann, 1990; Hill, 1997). Las plagas solamente se van a encontrar en sistemas modificados por el mismo hombre, tales como áreas urbanas o agroecosistemas, por citar algunos.

La presencia de una plaga en un cultivo agrícola es una evidencia de que existe un desbalance ecológico y la consecuencia que observamos es un mal funcionamiento del agroecosistema. Es importante tratar de entender y corregir el desbalance que está motivando el incremento de una población insectil, es decir las causas del problema, en lugar de tratar de atacar un “síntoma de daño” como usualmente se hace. Para esto es fundamental conocer las causas que directa o indirectamente están influyendo para que ocurra el surgimiento de una plaga.

Varias son las razones por las que un organismo llega a convertirse en plaga; entre éstas se tienen: 1) al ser introducida una nueva especie o al invadir ésta una área que previamente no se encontraba colonizada (plagas exóticas). La plaga recién introducida generalmente no

viene acompañada de sus enemigos naturales, 2) cuando se introducen nuevos cultivos en una región, puede ocurrir que algunos insectos que se alimentan de plantas silvestres prefieran ahora a este nuevo cultivo que generalmente va a encontrarse cultivado en grandes extensiones, 3) al existir un recurso alimenticio abundante y permanente. Esta situación es típica y característica de los agroecosistemas “modernos” en donde se pueden observar grandes extensiones ocupadas con un solo cultivo, 4) en los extensos monocultivos es característico la eliminación de la vegetación silvestre y con ello una fuente importante de alimento y refugio de enemigos naturales, los que de existir ayudarían a regular las poblaciones de la plaga, 5) la aplicación sistemática y desmedida de plaguicidas químicos ha provocado que plagas secundarias pasen a ser primarias fundamentalmente debido a que con esas aplicaciones también se suprimen las poblaciones de enemigos naturales, 6) el excesivo uso de fertilizantes inorgánicos confieren a las plantas mayores concentraciones de azucares solubles, compuestos nitrogenados y aminoácidos libres, lo cual las hace más apetecibles para los fitófagos, y 7) por los cambios en los hábitos y gustos alimenticios de la sociedad, cuando se busca y prefieren los “frutos perfectos”, provocando que daños insignificantes sean considerados como importantes (Van Driesche y Bellows, 1996; Hill, 1997; Rodríguez et al., 2000; Pérez, 2004).

Para el manejo de plagas es importante distinguir varias categorías o tipos de estas, en función de su presencia o el daño que están causando. Al respecto se han establecido principalmente las categorías siguientes (King y Saunders, 1984; Aparicio et al., 1991; Hill, 1997):

Plaga clave. (También mencionada como principal, primaria o constante). Son aquellas que se presentan regularmente con una elevada densidad y que

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producen graves daños directos o indirectos. Ocurren permanentemente en el cultivo, son persistentes y requieren de la aplicación de medidas de combate, de lo contrario provocarían graves pérdidas económicas. Ejemplo: Spodoptera frugiperda en maíz y Epilachna varivestis en fríjol.

Plaga ocasional. (También conocida como secundaria o de irrupción). Se incluye aquellas plagas que en condiciones normales sus poblaciones están controladas por sus enemigos naturales, pero si por factores externos (cambios climáticos o la intervención del hombre) el equilibrio en que coexisten las diferentes especies se afecta o interrumpe, puede ocasionar graves daños en el cultivo, haciéndose necesario tomar medidas para su combate. Ejemplo: Gusano soldado en gramíneas.

Plaga potencial. Son aquellas plagas que normalmente no ocasionan daños al cultivo, pero que como consecuencia de las medidas de control que son aplicados para combatir a las plagas clave u ocasionales, estas podrían llegar a producir pérdidas. Los grandes monocultivos y las exageradas aplicaciones de agroquímicos pueden hacer que estas plagas cambien a una categoría donde sus daños ya representen pérdidas en el cultivo. Ejemplo: varias especies de ácaros y pulgones, palomilla blanca en canola, etc.

Plagas migrantes. Se trata de plagas que no se encuentran presentes en el cultivo, pero que pueden llegar a ellos por sus hábitos migratorios causando repentinamente daños muy severos. Ejemplo: Las langostas en el sureste de México.

El manejo integrado de plagas, una estrategia en revisión. El reconocimiento social creciente de los

impactos negativos por el uso de los agroquímicos y la publicación de documentos y libros como la Primavera Silenciosa de Rachel Carson (1962), donde se denuncia acerca de los riesgos que este tipo de prácticas implican, han contribuido a promover sobre la búsqueda de nuevas alternativas que puedan ser efectivas para combatir las plagas y que a la vez minimicen o eviten los riesgos por el uso de plaguicidas. Tomando en cuenta algunos de estos antecedentes y tratando de minimizar los riesgos por el uso de plaguicidas, nace desde principios de la década de los 60´s lo que primero fue conocido como el Control Integrado de Plagas (Stern et al., 1959) y que en los años 70´s evolucionó a lo que se conoce hasta ahora como Manejo Integrado de Plagas (MIP) (Metcalf y Luckmann, 1990; Dent, 1991).

El MIP puede tener muchas definiciones, pero una de las más aceptadas en el ámbito mundial es la que estableció en 1967 un panel de expertos de la FAO (FAO, 1980), quienes definieron a esta estrategia fitosanitaria como “un sistema de manejo de plagas que, en el contexto del ambiente asociado y la dinámica poblacional de las especies bajo estudio, utiliza todos los métodos y la tecnología adecuada de manera compatible para mantener la densidad poblacional de la plaga a niveles subeconómicos, y a la ves conservando la calidad ambiental”.

Inicialmente la propuesta del MIP revolucionó la estrategia para el manejo de plagas, ya que se encuentra sustentado en un uso de plaguicidas que depende del nivel de poblaciones y daño de las plagas; técnicamente el MIP consiste en la combinación de métodos de control, entre los cuales se incluye al control biológico, la resistencia de las plantas a la plaga, el control cultural y el control químico selectivo; además, en esta combinación de controles se incluyen conceptos como la Posición General

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de Equilibrio (PGE), el Nivel de Daño Económico (NDE) y el Umbral Económico (UE), que ayudan a la toma de decisiones. La aplicación en el MIP de criterios como la conservación de recursos naturales y la incorporación de las ciencias naturales y sociales, y en el marco de la investigación participativa, es como han aportado muchas de las mejores experiencias que se tienen en el mundo con el desarrollo del concepto de MIP (Altieri y Nicholls, 1998; LEISA, 1998).

A pesar de algunas buenas experiencias, la generalidad no corresponde a la idea principal de racionalizar el uso de insecticidas y en la práctica no se ha observado una adopción generalizada ni en los mismos Estados Unidos donde nació esta propuesta de manejo. El hecho de que tenga implícito el monitoreo de la plaga y la determinación de los índices de infestación, para decidir la aplicación de un insecticida, convierte al MIP en una tarea complicada, en una práctica que no siempre pueda ser realizada por el agricultor y depende para ello de los servicios de asistencia técnica (Troyo-Diequez et al., 2006).

Ahora se reconoce que en muchos casos con el MIP, solamente se trató de un manejo inteligente o racional de plaguicidas, que se apoyaba en técnicas de muestreo y monitoreo para evitar que las poblaciones de plagas llegarán a alcanzar umbrales económicos preestablecidos o bien para decidir el momento más oportuno para aplicar un tratamiento químico (Moore, 1995; Altieri y Nicholls, 1998); y en la práctica del MIP se fueron dejando de lado fundamentos ecológicos donde la integración, el control biológico y las prácticas culturales que estaban involucradas, lejos de ser el eje central de la estrategia de manejo fueron perdiendo relevancia (Pérez, 2004).

A pesar de algunos de estos inconvenientes, el MIP ha tenido una contribución importante en el transito hacia la sostenibilidad, al lograr que en la lucha contra las plagas se pueda reducir el uso de agroquímicos y se integren tácticas preventivas y curativas, así como la incorporación en su esquema de manejo, la sustitución de los insumos químicos por biológicos, así como la lucha biológica y el uso de prácticas agronómicas. Por lo anterior, al MIP se le puede considerar como una etapa transitoria que puede contribuir para avanzar hacia un futuro donde sea posible aplicar el manejo agroecológico de plagas (Sánchez et al., 2005). Por lo anterior y considerando la necesidad actual de suprimir gradualmente en el mundo el uso de los insecticidas químicos, ha motivado y favorecido que se tenga que hacer una revisión del concepto del MIP, retomando para ello las experiencias participativas donde se han observado buenos resultados, el reto de la conservación de los recursos naturales y la incorporación de las ciencias naturales y sociales.

El manejo agroecológico de plagas una respuesta hacia el futuro. Buscando una mayor claridad que no permita la confusión con la definición del MIP, se ha acuñado un nuevo concepto que trata de ser más acorde con estos principios. En países de Asia, África y América se habla ya de “Manejo Ecológico de Plagas”, “Manejo Holístico de Plagas” y “Manejo Alternativo de Plagas”, pero desde nuestro punto de vista y en donde coincidimos también con otras opiniones, el concepto que mejor define esta nueva estrategia alternativa es el de “Manejo Agroecológico de Plagas” (MAP), con un enfoque integrador que no sólo se preocupa por la producción a corto plazo, sino por la sostenibilidad ecológica del sistema de producción a largo plazo (Brechelt, 2004; Pérez, 2004; Vázquez, 2004).

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El MAP se puede definir como “la realización de prácticas agronómicas, la utilización de la lucha biológica y el aprovechamiento de la biodiversidad funcional para prevenir o suprimir ataques de plagas a los cultivos; implica aprovechar al máximo las bondades de la naturaleza y las mejores prácticas en el manejo agronómico del cultivo” (Vázquez, 2004). En este nuevo enfoque que se propone con el MAP, se hace mayor énfasis al carácter agroecológico y sostenible de los agroecosistemas, junto con el interés por la productividad. Se sustenta no sólo en las técnicas alternativas que sustituyen el uso de los insecticidas, sino en el papel central que tiene el Control Biológico de plagas, con una visión holística e integradora. En este caso no se busca exterminar insectos sino de regular poblaciones para que éstas no causen daños económicos significativos. Procura la restauración de la biodiversidad funcional que reactive el control biológico, y se complementa con alternativas ecológicamente compatibles con las poblaciones de enemigos naturales.

En los sistemas de manejo agroecológico de plagas que buscan la sostenibilidad, la protección de cultivos debe ser fundamentalmente preventiva, influyendo negativamente contra las condiciones que favorecen el desarrollo de las plagas en su conjunto, pero también haciéndolo positivamente sobre los organismos benéficos; sin embargo, el carácter preventivo que puedan tener muchas de estas acciones, no debe dejar de lado criterios estrictamente económicos pues cualquier actividad, a pesar de que no deje un impacto adverso al ambiente o los recursos naturales, implica un costo, lo cual si no es considerado le resta posibilidades de sostenibilidad a la estrategia que se propone.

El MAP se sustenta en la ciencia de la agroecología, la cual aporta los principios básicos que norman la

acción y propician un entendimiento de los ecosistemas agrícolas sobre bases ecológicas y sociales, considerando al agricultor y la comunidad donde viven los actores principales (Vázquez, 2004). De ahí que para asegurar el éxito del MAP, se requiere de una capacitación sobre dichos principios que son elementales; es necesario conocer y comprender sobre los ciclos vitales de la plaga, la etapa del cultivo en que se producen los daños, los distintos enemigos naturales nativos que regulan las poblaciones de las plagas, las etapas de mayor susceptibilidad, y en qué momento o bajo qué condiciones ocurren los mayores índices de infestación en el cultivo.

El MAP requiere de la combinación de un conjunto de controles que incluyen al cultural, legal, físico, biológico (natural y aplicado), genético y mecánico; buscando que en principio se actúe preventivamente y de este modo se minimice el riesgo de la presencia de la plaga; pero además, la estrategia del MAP debe ser parte de un manejo diferente del cultivo, haciendo énfasis en la fertilización orgánica, el laboreo mínimo o labranza de conservación y la incorporación de materia orgánica así como parte de los residuos de cultivo al suelo. Es importante señalar que a diferencia del MIP, en el MAP no se requiere del control químico, aquí no se deberán emplear los insecticidas ya que la gran mayoría por su toxicidad, residualidad y modo de acción no son compatibles que las poblaciones de organismos benéficos. En éstos últimos organismos es en los que recae ahora una mayor relevancia y dependencia para mantener a las plagas por debajo de los niveles de daño económico.

El papel de la biodiversidad en el MAP. La biodiversidad puede definirse en forma muy simple como el número de especies de plantas, animales y microorganismos que se encuentran interactuando en un

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ecosistema; para el caso de los agroecosistemas podría aplicarse la misma definición pero en contraste a lo que ocurre en los ecosistemas naturales, en los agroecosistemas característicos de la agricultura convencional la diversidad de organismos se ha ido conduciendo a una simplificación extrema (por ejemplo, grandes extensiones de monocultivo) reduciendo en forma considerable el número de especies en un sitio y por ende afectando las interacciones que ahí ocurren (Altieri, 1992; Vázquez, 1999).

La realidad mundial es alarmante, nos preocupa a todos la pérdida de grandes especies como el tigre indio o los osos pandas de la China, el deterioro de los bosques tropicales lluviosos o los arrecifes de coral; sin embargo, nos olvidamos de un problema real y silencioso, al no alarmarnos con los niveles de simplificación que se tienen con la actividad agrícola. En el mundo existen unas 75,000 especies de plantas comestibles, sin embargo el área cultivada (aproximadamente 1,440 millones de hectáreas) se encuentra ocupada por unas 70 especies de plantas, de estas solamente unas 20 son las que nos aportan el 90% de alimentos para toda la población y, lo que es peor, tan solo el maíz, trigo y arroz proveen más de la mitad de este alimento para toda la humanidad (Challenger, 1998). Esto contrasta enormemente con lo que ocurre en un bosque tropical lluvioso donde se tienen típicamente sobre 100 especies de árboles por cada hectárea (Altieri, 1992; Coronado, 2001; Van Dermeer y Perfecto, 2000).

Esta simplificación de la biodiversidad ocurre en México, al igual como se presenta en el resto del mundo; en nuestro país 10% del territorio nacional (unas 20 millones de hectáreas) es ocupado por cultivos agrícolas, de éstos el maíz es uno de los predominantes, tan solo la zona templada sub-húmeda se encuentra cubierta en un 15% con dicho cultivo, mientras que en el trópico sub-

húmedo el 24% de su cubierta original, actualmente se encuentra cultivada (Challenger, 1998). Es importante destacar que en todo sistema hay una variedad de especies aparentemente irrelevantes para el éxito de las cosechas y que sin embargo son claves para mantener la estabilidad del mismo, por lo cual deben mantenerse dejando de lado algunas prácticas agrícolas que les son adversas (Troyo-Diéguez et al., 2006). De acuerdo con Clades, (1998), los principales factores que han acelerado la pérdida de la biodiversidad en los agroecosistemas son los siguientes:

1). Propagación de variedades “modernas” que han desplazado a las nativas o criollas.

2). El incremento de la extensión con monocultivo, en detrimento de los cultivos asociados que perduraron por muchos años.

3). La aplicación de paquetes tecnológicos con uso intensivo de fertilizantes y plaguicidas.

4). La tecnología de cultivo que promueve la supresión total de plagas y malezas.

5). La disminución de las especies cultivadas debida a la industrialización de la agricultura, por ejemplo sólo 20 especies de plantas aportan el 90% de la alimentación humana.

6). La sobre explotación de dos o tres especies dejando de lado aquellas que no tienen un interés comercial.

7). La deforestación en selvas y bosques, a baja y alta escala.

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8). La modificación de los patrones de vida y consumo de la sociedad, buscando imitar la llamada “cultura occidental” e imponiéndose en el mercado la homogenización de los productos.

9). El menosprecio oficial hacia la medicina tradicional

En contraparte tenemos que para una agricultura del futuro un elemento clave a reconsiderar es la restauración de la biodiversidad funcional, en particular por los múltiples servicios que ésta presta a los agroecosistemas. Uno de estos servicios es la regulación de la abundancia de plagas a través de la depredación, parasitismo y la competencia (Altieri, 1994). En este sentido, la biodiversidad puede ser utilizada para mejorar el manejo de plagas, pues ha sido demostrado que es posible estabilizar las poblaciones de insectos en los agroecosistemas mediante el diseño y la construcción de asociaciones vegetales que mantengan poblaciones de enemigos naturales o que posean efectos disuasivos directos sobre los herbívoros plaga (Altieri, 1992; LEISA, 1998; Vázquez, 1999; Altieri y Nicholls, 2006; Altieri et al., 2007). En este sentido, también es importante destacar que las bondades de un ambiente más diverso, no se dirigen a tratar de combatir una sola plaga, ya que su efecto regulador se extiende hacia todos los organismos presentes que se encuentran interactuando en el agroecosistema.

La mayor diversidad vegetal, tanto de los cultivos como la natural, favorece la abundancia de los enemigos naturales y su efectividad al proveer de huéspedes o presas alternativas cuando escasea la plaga principal, al aportar alimentación (polen y néctar) para los parasitoides y depredadores y al ofrecer refugios para su hibernación o nidificación (Bahena, 1999). En la literatura existen

numerosos ejemplos de experimentos que documentan cómo la diversificación frecuentemente conduce a la reducción de las poblaciones plaga, sugiriendo que entre más diverso sea el agroecosistema y mayor duración tenga inalterada esta diversidad, mayor cantidad de relaciones internas se construyen entre las poblaciones de organismos (Altieri, 1992; Nicholls y Altieri, 1997; Altieri y Nicholls, 1998; Vázquez, 1999; Altieri et al., 2007).

En muchas regiones agrícolas de México se ha cultivado tradicionalmente al maíz asociado con fríjol, haba y calabaza, y se ha demostrado como este tipo de prácticas previenen o reducen en forma natural las poblaciones de plagas como las chicharritas Empoasca sp y Dalbulus sp, el crisomelido Diabrotica balteata, al barrenador del tallo Diatraea lineolata y el gusano cogollero Spodoptera frugiperda (Trujillo-Arriaga y Altieri, 1990; Altieri, 1992; Cortes-Madrigal et al., 1993; Vázquez, 1999). Se sabe que la diversificación de cultivos y la presencia de cobertura en el suelo influyen de manera positiva sobre la actividad biológica, especialmente, sobre la macro fauna de artrópodos, ya que éstos contribuyen de diferentes maneras al mejoramiento del suelo, participando de manera activa en el reciclaje de los nutrimentos al mineralizar la materia orgánica, y contribuyen al mejoramiento de la aireación, infiltración y enraizamiento en el suelo (Barber, 1997).

La diversidad ambiental en los agroecosistemas incluye tres componentes que puede ser factible de manejarse en nuestro beneficio, siendo estos: temporal, espacial y biológico (Altieri, 1992). En este sentido, la restauración de la diversificación en los agroecosistemas incluye prácticas como la asociación y rotación de cultivos, establecimiento de mosaicos, cultivos en franja, la labranza de conservación incorporando residuos de cosecha, policultivos, manejo de arvenses (“malas hierbas”) y de

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la vegetación nativa adyacente, uso de plantas productoras de néctar, cultivos de cobertera, barreras vivas, etc.

Transitando hacia el MAP. Para transitar a este nuevo modelo de manejo de plagas llamado MAP, se deben ir creando las condiciones, pues es utópico pensar que esto puede ocurrir de un año a otro, no es posible dejar bruscamente más de medio siglo de aplicaciones de insecticidas y cambiar el paradigma de la agricultura convencional o “moderna”; sin embargo, si necesitamos entrar ya en forma urgente ha este nuevo esquema de la agricultura de conservación o sostenible avanzando simultáneamente en los diferentes aspectos que su práctica demanda, como la recuperación de los suelos, la adopción del manejo conservacionista en la tecnología del cultivo, la mentalidad y cultura de los productores y técnicos y el manejo de plagas.

Vázquez (2004) sugiere algunas recomendaciones que nos van ir conduciendo a este cambio, desde la capacitación a los agricultores sobre los efectos de los plaguicidas químicos, el reconocimiento de algunos indicadores de impacto, la capacitación en la ciencia de la agroecología, enseñar al agricultor la metodología e importancia de los muestreos para ver la incidencia de plagas, transitar hacia la disminución gradual del número de aplicaciones de agroquímicos, uso de productos más selectivos y menos dañinos de los organismos benéficos, usar productos biológicos cuando sea posible, conocer la importancia de las labores agrícolas de manejo preventivas, la conservación de entomófagos y recuperar la biodiversidad.

En el apartado anterior ya se explicó la importancia de la recuperación de la biodiversidad funcional para la regulación de las poblaciones de insectos dañinos como

parte fundamental de este nuevo esquema de manejo agroecológico de plagas. Del mismo modo, otras prácticas y estrategias necesarias para el buen éxito del MAP serán las siguientes: a) Prácticas culturales conservacionistas; b) Uso del control físico y mecánico; c) el control biológico aplicado en todas sus partes (clásico, por aumento y de conservación); d) el control genético en varias de sus modalidades; e) Para la sustitución de los tratamientos químicos, el uso de productos alternativos naturales (bioinsecticidas) y algunos sintéticos; f) el uso de varios tipos de semioquímicos (fundamentalmente feromonas); y g) evitar el uso de tratamientos químicos injustificados.

En el Cuadro 1, se anota y explican esta serie de prácticas o acciones que de realizarse en forma combinada y complementaria permitirán buenos resultados para un esquema agroecológico.

Durante los últimos ocho años por parte del INIFAP se han venido trabajando en el occidente de México algunas de las prácticas antes mencionadas, obteniendo resultados que pueden ser útiles para el MAP. Entre los aspectos que se han estudiado se tiene en relación al control biológico, las exploraciones de enemigos naturales, principalmente parasitoides y depredadores, las evaluaciones de campo y laboratorio de varios productos alternativos como los extractos de plantas, los estudios de monitoreo y evaluación de trampas con feromonas sexuales y atrayentes en base a color, los estudios sobre el comportamiento de las poblaciones insectiles, benéficas y dañinas, bajo el sistema de labranza de conservación. En el Cuadro 1, se presentan algunos de estos estudios y resultados que han sido obtenidos.

El control biológico de plagas. Sin duda, el control biológico ocurre en la naturaleza desde siempre

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al tratarse de una ley natural para la regulación de las poblaciones de organismos; sin embargo, cuando se hace una aplicación de los conocimientos bioecológicos con el propósito de combatir plagas, hablamos del control biológico aplicado concepto que se ha definido como “el estudio y la utilización por parte del hombre, de parásitos, depredadores y patógenos, para regular la población de una plaga, manteniendo a ésta en niveles más bajos de lo que se observaría en su ausencia” (De Bach, 1971; Van Lenterén, 1995).

Los enemigos naturales de las plagas se han clasificado en tres grandes grupos: 1) parásitos o parasitoides, 2) depredadores, y 3) patógenos (incluyendo principalmente a bacterias, hongos, virus, nemátodos y protozoarios). Los dos primeros grupos son denominados entomófagos y el último se conoce como entomopatógenos.

Conocer los parasitoides nativos o introducidos que se encuentran en una región, es uno de los primeros pasos cuando se pretende implementar un programa de control biológico contra alguna plaga; dicho conocimiento incluye la exploración, identificación, bioecología y los factores bióticos y abióticos del entorno donde interactúan con su hospedero.

En el valle Morelia-Querendaro, México se han venido haciendo trabajos conducentes a determinar la presencia de parasitoides de plagas de interés agrícola con el propósito de desarrollar estrategias de Manejo Agroecológico, mediante colecta directa de hospederos en el cultivo o indirectamente mediante el uso de trampas.

Entre los años, de 1998 al 2005 se realizaron 161 muestreos y colecta (incluidos larvas y huevos) del gusano

cogollero Spodoptera frugiperda, en 76 localidades distintas y representativas de Michoacán, Jalisco y Colima. Se han colectado más de 16,000 larvas de diferentes estadios y se obtuvieron 18 especies de parasitoides y un hiperparásito; entre los cuales Chelonus insularis y Campoletis sonorensis son los de mayor importancia por su parasitismo, frecuencia y distribución.

El parasitismo ha sido variable, dependiendo de la localidad, región y época del muestreo, oscilando del 5% hasta el 80%. En el cuadro 2, se presenta un listado de las especies de parasitoides que han sido identificados siendo el 90% de ellas reportes por primera ves para esta zona de México.

Por otra parte, también se han realizado la búsqueda de parasitoides de afidos que son plagas de varios cultivos. En campo se ha visto que los pulgones son parasitados en forma natural por avispas de la familia Aphidiidae y Aphelinidae. Para el estado de Michoacán antes de estos estudios se conocían solo dos especies de parasitoides: Ephedrus lacertosus (Haliday) (Marsh, 1979) y Diaeretiella rapae (MʼIntosh) (Star_ y Remaudière, 1988); mientras que entre los hiperparásitos sólo se conocía la presencia de Pachyneuron sp. (Lomeli-Flores y Peña-Martínez, 1994).

Actualmente producto de estos estudios se tienen que de diez especies de áfidos se detectaron 746 parasitoides siendo Aphidius el más frecuente (56%) con tres probables especies, seguido por Diaeretiella rapae (41%), Trioxys (2%) y Aphelinus (0.3%). En cuanto a hiperparásitos de 91 colectados el más común fue Asaphes con 45 ejemplares (50%), seguido de Alloxysta con 31 (34%) Pachyneuron con 12 (13%) y Syrphophagus con solo dos y Tetrastichus con uno. Excepto D. rapae y Pachyneuron sp. el resto representan nuevos registros para Michoacán. En pulgones

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Cuadro 1. Prácticas factibles para un manejo agroecológico de plagas.

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Cuadro 1. Prácticas factibles para un manejo agroecológico de plagas.

Herramientas de manejo Prácticas o acciones a realizar

Prácticas culturales Rotaciones y asociaciones de cultivo, manejo de densidades y fechas de

siembra, manejo de riegos o aspersiones de agua, provisión de refugios

y fuentes de alimento para los enemigos naturales y manejo de arvenses

que proveen de refugio y alimento alternativo para los entomófagos.

Aquí se incluye la labranza de conservación (siembra directa e

incorporación de residuos).

Control físico y mecánico Uso de barreras físicas y naturales, cubiertas de aislamiento y

reflejantes, manejo de acolchados, uso de trampas vivas, luminosas y

de color, trampas amarillas con agua o con pegamento u otra sustancia

pegajosa.

Control biológico aplicado Estrategias para la conservación de los enemigos naturales ya sea éstos

nativos o introducidos. Aumento de enemigos naturales en el cultivo,

pudiendo ser de tipo inoculativo o inundativo. Introducción de

enemigos naturales exóticos. Uso y liberaciones masivas de

entomófagos.

Control genético Selección y uso de materiales genéticos que presentan ciertos grados de

tolerancia o resistencia al ataque de organismos dañinos. Aquí se puede

incluir la técnica del insecto estéril como otra forma de manipulación

genética pero en este caso sobre la especie insectil.

Productos alternativos de

origen natural y sintéticos

Uso de extractos de plantas con propiedades repelentes, disuasivas de

alimentación, tóxicas o bien aquellas que interfieren en los procesos

fisiológicos o de comportamiento en los insectos. Aplicación de

insecticidas biológicos formulados en base a bacterias, hongos y virus,

así como otros llamados biorracionales que tienen efecto sobre algún

estado de desarrollo de los insectos como los reguladores de

crecimiento de insectos, hormonas juveniles e inhibidores de formación

de cutícula o de la alimentación.

Uso de semioquímicos Son de particular importancia las feromonas sexuales. Su utilidad se

centra principalmente en las técnicas siguientes: Monitoreo, confusión

de apareamiento y control.

Control no químico Suprimir gradualmente el uso de los insecticidas de síntesis química.

Estos productos solamente podrían ser alternativas para usarse contra

plagas migrantes u otras que brotan repentinamente o bien como una

medida emergente para situaciones por ataque de plagas cuando estas

se han salido de control en forma repentina. En ningún caso deben de

formar parte de una estrategia integral de manejo y mucho menos ser

aplicados por calendario. Es importante en todos los casos respetar las

dosis indicadas, la no mezcla de insecticidas y el uso de productos

específicos.

Conocer los parasitoides nativos o introducidos que se encuentran en una región, es uno

de los primeros pasos cuando se pretende implementar un programa de control biológico

contra alguna plaga; dicho conocimiento incluye la exploración, identificación, bioecología y

los factores bióticos y abióticos del entorno donde interactúan con su hospedero. CIQA UAAAN

de canola B. brassicae y L. erysimi se encontraron los parasitoides Diaretiella rapae, Lysiphlebus testaceipes y Aphidius spp así como los hiperparasitos Pachyneuron sp y Asaphes sp.

El parasitismo natural observado se comporto en forma gradual, pasando de un 10% en el periodo más crítico (floración), hasta llegar a un 85% en las etapas finales, cuando ocurre la maduración de la vaina.

Como podrá apreciarse en el Cuadro 2, en estos estudios las colectas sistemática aportaron un incremento en el conocimiento de las interacciones entre las plantas, las plagas y sus parasitoides en el occidente de México, con lo cual se puede apoyar las estrategias de control biológico para el desarrollo sostenible. Sin embargo, se recomienda continuar con este tipo de estudios por periodos más prolongados, no solo en plantas cultivadas, sino también en silvestres, cuidando el aspecto de obtener datos cada vez más precisos sobre estas interacciones.

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Cuadro 2. Parasitoides de Spodoptera frugiperda, detectados en el Occidente de México (Michoacán, Jalisco y Colima). 1998 - 2005.

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Cuadro 2. Parasitoides de Spodoptera frugiperda, detectados en el Occidente de México

(Michoacán, Jalisco y Colima). 1998 - 2005.

Familia Subfamilia Especie C* M* J*

Chelonus insularis Cresson, 1865 x x x

Chelonus sonorensis Cameron x x

Cheloninae

Chelonus cautus Cresson, 1872 x x x

Cotesia sp Cameron, 1891 x x x Microgasterinae

Glyptapanteles sp Ashmead, 1904 x

Meteorinae Meteorus laphygmae Viereck x x

Homolobinae Homolobus sp Föerster, 1862 x

Braconidae

Orgilinae Stantonia sp Ashmead, 1904 x

Campopleginae Campoletis sonorensis Cameron x x x

Tryphoninae Netelia sp Gray, 1860 x

Temelucha sp Föerster, 1868 x Cremastinae

Pristomerus spinator (Fabricius) x x

Ichneumonidae

Eiphosoma vitticolle Cresson, 1865 x x

Eulophidae Elachertinae Euplectrus sp x

Trichogrammatidae Trichogrammatinae Trichogramma pretiosum Riley x

Chalcididae Chalcidinae Conura petioliventris Cameron,

1884**

x

Archytas analis Fabricius x

Archytas marmoratus (Townsend) x x

Tachinidae Tachininae

Lespesia archippivora (Riley) x x

* C: Colima, M: Michoacán y J: Jalisco. ** Hiperparasito de Campoletis sonorensis

Labranza de conservación para recuperar la biodiversidad. La labranza de conservación

(LC) es una de las opciones de manejo más viables para lograr revertir el deterioro de los

suelos en nuestro país, puesto que con su práctica, se logra una protección del suelo contra la

erosión hídrica y eólica, el mantillo orgánico que queda en la superficie conserva su humedad,

se incrementa la biodiversidad a nivel micro y macro y se mantiene constante la temperatura

(Figueroa y Morales, 1999; Velásquez et al., 2005). La LC, básicamente consiste en

“cualquier sistema de labranza y siembra que mantenga al menos el 30% de la superficie del

suelo cubierta por residuos de cosecha después de la siembra” (CTIC, 2006).

La baja adopción de la LC en México ha sido por varias razones, siendo una de ellas el

temor por parte de los agricultores de que con esta práctica se induzcan aumentos de plagas y

malezas (Fregoso, et al., 2006). Existen varios aspectos controversiales que no han sido

estudiados plenamente, ya que mientras algunas especies insectiles pueden incrementar sus

poblaciones otras las pueden ir reduciendo, lo que a la ves se encuentra influenciado por el

tiempo que lleva de practicarse la LC en forma continua y por la cantidad de residuos o

cubierta que se ha dejado sobre el suelo (Roberts y All, 1993; Figueroa y Morales, 1999;

Higgins et al., 1999).


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Labranza de conservación para recuperar la biodiversidad. La labranza de conservación (LC) es una de las opciones de manejo más viables para lograr revertir el deterioro de los suelos en nuestro país, puesto que con su práctica, se logra una protección del suelo contra la erosión hídrica y eólica, el mantillo orgánico que queda en la superficie conserva su humedad, se incrementa la biodiversidad a nivel micro y macro y se mantiene constante la temperatura (Figueroa y Morales, 1999; Velásquez et al., 2005). La LC, básicamente consiste en “cualquier sistema de labranza y siembra que mantenga al menos el 30% de la superficie del suelo cubierta por residuos de cosecha después de la siembra” (CTIC, 2006).

La baja adopción de la LC en México ha sido por varias razones, siendo una de ellas el temor por parte de los agricultores de que con esta práctica se induzcan aumentos de plagas y malezas (Fregoso, et al., 2006). Existen varios aspectos controversiales que no han sido estudiados plenamente, ya que mientras algunas especies insectiles pueden incrementar sus poblaciones otras las pueden ir reduciendo, lo que a la ves se encuentra influenciado por el tiempo que lleva de practicarse la LC en forma continua y por la cantidad de residuos o cubierta que se ha dejado sobre el suelo (Roberts y All, 1993; Figueroa y Morales, 1999; Higgins et al., 1999).

Gray y Tollefson (1988), han señalado que la LC ha favorecido el incremento de la actividad por parte de las plagas; pero también se reconoce que se favorece un incremento en las poblaciones de insectos benéficos como lo señala Kocker (1990). Sin embargo, la LC en combinación con otras prácticas como las rotaciones ha demostrado reducción en las poblaciones de diversas plagas (Higgins et al., 1999). De esta forma, la LC al favorecer incrementos en la biodiversidad propicia el establecimiento

de una comunidad de organismos más compleja, y en consecuencia, una mayor estabilidad de los sistemas agrícolas. En este sentido, diversos autores sostienen que la siembra directa como parte de la LC, generalmente se asocia con una mayor diversidad y abundancia de agentes de control biológico, en consecuencia, el incremento inicial de las especies plaga no necesariamente se traduce en mayores pérdidas económicas. (Figueroa y Morales, 1999; Turnock et al., 1993; Valdés et al., 1993).

En experimentos donde se comparó el labrar o no labrar con arado las infestaciones por gusano cogollero en maíz, al final son iguales en los dos sistemas; sin embargo, cuando no se labra y además se dejan residuos en la superficie del suelo se reduce significativamente la oviposición y el daño por parte de esta plaga cuando la planta es pequeña (All, 1988). Roberts y All (1993), observaron que en parcelas sin labranza se realizó una aplicación menos del insecticida químico para el combate del gusano cogollero, lo cual señalan que puede estar relacionado con la cobertura de residuos del cultivo del ciclo anterior y que se dejaron sobre el suelo. El no laboreo en parcelas donde además se han dejado los residuos del cultivo anterior puede tener una importancia significativa en la reducción del daño de la plaga si tomamos en cuenta que, como el gusano cogollero del maíz van a preferir a las plantas pequeñas para realizar sus oviposturas (Harrison, 1984). En este mismo sentido, es notable el incremento que ocurre de lombrices y termitas, con el consecuente beneficio que esto conlleva para el suelo, cuando se trabaja bajo dicho sistema conservacionista (Barber, 1997).

En México y particularmente en la región conocida como el bajío, se viene practicando la labranza de conservación, conocida en la zona también como “siembra directa”, desde hace más de 10 años y se puede afirmar que

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hay un desconocimiento por parte de técnicos y productores a cerca del comportamiento que están presentando las poblaciones de insectos y otros artrópodos, tanto las que son de hábitos dañinos como aquellas especies que son benéficas. Esta falta de conocimientos incluye, a los productores que recién inician bajo el sistema de LC, así como los agricultores con las parcelas que han mantenido bajo dicho sistema de cultivo por varios años, incluso los que se consideran como más avanzados.

Considerando este desconocimiento, la alternativa tecnológica disponible para el manejo de plagas que es usada por los agricultores en la zona consiste en la aplicación de plaguicidas de síntesis química, prácticamente igual y con el mismo procedimiento y productos a como lo hacen los agricultores comerciales o convencionales. Estas aplicaciones de plaguicidas, con productos de amplio espectro eliminan efectivamente a la plaga; sin embargo, también suprimen a las poblaciones de entomófagos.

Es importante considerar que si bien con la LC pudieran ocurrir cambios en el comportamiento de las poblaciones de insectos, no se puede depender exclusivamente de este sistema de no laboreo, para esperar reducciones que siempre puedan ser significativas con relación al daño de los insectos. La agricultura conservacionista con la LC como base, aplicada en su sentido amplio donde se considera el no laboreo en forma continua y permanente así como la cubierta con residuos de cultivo sobre el suelo; con respecto al manejo de plagas, debe tener un enfoque agroecológico, donde se involucren otros elementos de manejo en el cultivo que puedan ser desfavorables para el desarrollo de las poblaciones de insectos dañinos o favorables para el incremento y conservación de los enemigos naturales (Bahena, 2003, Pérez, 2004 y Sánchez et al., 2005).

Por nuestra parte, desde el ciclo agrícola Otoño-Invierno de 2004-2005 se han venido realizando algunas investigaciones en parcelas que tienen diferente número de ciclos agrícolas, practicando la labranza de conservación mediante la siembra directa y la incorporación de residuos de cosecha sobre la superficie del suelo, en varios municipios del estado de Guanajuato. Fue consistente en los muestreos que a medida que las parcelas tenían mayor antigüedad bajo el sistema de LC, se daba un incremento en las poblaciones de depredadores y parasitoides, llegando a ser hasta del 95% de parasitismo como se observó en la parcela que tenía 22 ciclos de la localidad de Corral de Santiago (Cuadro 3). Lo que se observó en esta localidad es un fenómeno poco frecuente, que debe ser destacado y profundizado en su estudio ya que aunado al alto porcentaje de parasitismo antes señalado la presencia de adultos parasitoides era considerablemente abundante.

Para todas las localidades muestreadas, el depredador dominante que se observó fue la catarinita Hippodamia convergens en todas sus fases de desarrollo (con el 80% del total de depredadores observados) y con una actividad depredadora muy evidente; ésta fue seguida en importancia por varias especies de sírfidos (se observaron larvas, pupas y adultos) y otras especies de coccinelidos, y en tercer lugar un abundante número de arañas. En menor medida también se observaron otras especies de cleridos, malaquidos y crisopas. Para este grupo de entomófagos, las parcelas que tenían de 4 a 7 ciclos continuos no fueron diferentes entre sí estadísticamente, pero sí lo fueron con respecto a las que tenían de 10 a 22 ciclos con la SD. Se registro durante las fechas de los muestreos un alto número de aplicaciones de insecticidas, particularmente del producto Paration Metílico, lo que sin duda esta afectando a las poblaciones de depredadores, debido al tipo de producto que se aplica. De acuerdo a nuestras observaciones es poco justificable

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Figura 1. Relación entre la presencia de poblaciones de parasitoides y el tiempo mantenido en forma continua, en parcelas manejadas bajo el sistema de LC. Guanajuato, ciclo O-I, 2004-2005.

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hacer las regresiones para cada grupo de organismos con respecto a el tiempo que tienen con

SD los sitios de estudio, se puede observar como con los coeficientes de determinación en

cada caso ocurre una significancia siendo ésta más alta cuando se analizó el caso de las

poblaciones de parasitoides.

En la Figura 1, se puede observar la relación que existe entre el valor medio total del

parasitismo registrado en las distintas localidades muestreadas, con respecto al tiempo

mantenido en forma continua con la práctica de la siembra directa o LC. En este caso se

puede observar como a partir de los diez ciclos continuos con LC se nota una diferencia

significativa con aquellos lugares donde se tiene menos de siete ciclos, ocurriendo un

incremento muy importante para cuando ya se tienen más de 20 ciclos bajo el sistema de LC.

Figura 1. Relación entre la presencia de poblaciones de parasitoides y el tiempo mantenido en

forma continua, en parcelas manejadas bajo el sistema de LC. Guanajuato, ciclo O-I, 2004-

2005.

Conclusiones

La agricultura sostenible que garantizará la producción de alimentos para las

generaciones futuras incluye necesariamente varios componentes entre los que se encuentra el

manejo agroecológico de plagas. Como ya fue discutido el manejo integrado de plagas fue

una propuesta que ahora puede ser considerada como una transición cuyo principal aporte fue

la de racionalizar el uso de insecticidas químicos por medio de umbrales económicos e

incorporar alternativas de manejo como las prácticas de cultivo y el control biológico de

plagas; sin embargo, hoy deben impulsarse otras opciones más acordes con los objetivos a

largo plazo que solo se pueden lograr con estrategias que busquen la sostenibilidad de los

agroecosistemas.

y = 4.8618x - 22.936R2 = 0.9503**

0

10

2030

40

50

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7080

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0 5 10 15 20 25

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Par

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hacer ese tipo de aplicaciones en parcelas que ya superan los 10 años bajo el sistema de SD, por lo que es conveniente buscar productos alternativos para aquellos casos en que las poblaciones de afidos se salen de control, pero con productos que no impacten tanto a las poblaciones de los benéficos.

En todas las parcelas se observó la presencia de parasitoides; particularmente a varias especies de la familia Aphidiidae, siendo entre las más abundantes Lysiphlebus testaceipes y Aphidius spp, y en este caso su presencia mostró el mismo comportamiento que con los depredadores; sin embargo, en este caso los porcentajes de parasitismo fueron incrementándose en una forma más marcada cuando se comparaba con lo que ocurría en las parcelas con mayor antigüedad bajo el sistema de SD. En este caso es totalmente injustificado hacer alguna aplicación de insecticida en las parcelas desde los 10 ciclos continuos bajos el sistema de SD, pues es probable que se observé un efecto inverso al que se pretende obtener con la aplicación de dichos agroquímicos. En ningún caso entre las distintas fechas bajo el sistema de SD, se observó el ataque significativo de otros insectos sobre el follaje tanto del trigo como la cebada. Con poblaciones por abajo del 5% se observaron a diabróticas, larvas defoliadoras, chicharritas, ácaros (araña roja) y ligaeidos, por lo que el ataque de estos insectos no se considera relevante o que pueda tener un impacto económico para el cultivo. Al hacer las regresiones para cada grupo de organismos con respecto a el tiempo que tienen con SD los sitios de estudio, se puede observar como con los coeficientes de determinación en cada caso ocurre una significancia siendo ésta más alta cuando se analizó el caso de las poblaciones de parasitoides.

En la Figura 1, se puede observar la relación que existe entre el valor medio total del parasitismo registrado en las distintas localidades muestreadas, con respecto al tiempo mantenido en forma continua con la práctica de la siembra directa o LC. En este caso se puede observar como a partir de los diez ciclos continuos con LC se nota una diferencia significativa con aquellos lugares donde se tiene menos de siete ciclos, ocurriendo un incremento muy importante para cuando ya se tienen más de 20 ciclos bajo el sistema de LC.

Conclusiones

La agricultura sostenible que garantizará la producción de alimentos para las generaciones futuras incluye necesariamente varios componentes entre los que se encuentra el manejo agroecológico de plagas. Como ya fue

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CAPÍTULO 12

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discutido el manejo integrado de plagas fue una propuesta que ahora puede ser considerada como una transición cuyo principal aporte fue la de racionalizar el uso de insecticidas químicos por medio de umbrales económicos e incorporar alternativas de manejo como las prácticas de cultivo y el control biológico de plagas; sin embargo, hoy deben impulsarse otras opciones más acordes con los objetivos a largo plazo que solo se pueden lograr con estrategias que busquen la sostenibilidad de los agroecosistemas.

El Manejo Agroecológico de Plagas se sustenta en los principios que aporta la ciencia de la agroecología, promoviendo la restauración de la biodiversidad funcional y dando un papel central al control biológico de plagas y el uso de prácticas agrícolas preventivas. En esta estrategia de manejo, los tratamientos con insecticidas químicos cada vez serán menos necesarios ya que por su modo de acción son incompatibles con la presencia y actividad de los organismos benéficos que permiten regular las poblaciones de lo fitófagos. En esta estrategia de manejo el productor es un actor principal y la equidad y justicia social no pueden estar al margen. En nuestro país existen muchas experiencias que pueden ser aplicadas para ir transitando a un Manejo Agroecológico de Plagas. La presencia e importancia de los organismos benéficos en las parcelas de los agricultores y la restauración de la biodiversidad que puede ser favorecida por la labranza de conservación han sido dos elementos agroecológicos que fueron explicados en el presente documento.

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CAPÍTULO 12

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SECCIÓN II


Capítulo 13

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L.A. RODRÍGUEZ-DEL-BOSQUE. INIFAP-CERIB. Río Bravo, Tamps., México

Resumen

Se presenta una síntesis histórica del control biológico en México como disciplina científica y estrategia de combate de organismos dañinos. El estudio sobre el control biológico en nuestro país se ha incrementado notablemente durante los últimos 15 años, al registrarse el 73% del total histórico de los trabajos publicados. Uno de los motivos de la tendencia anterior es la fundación de la Sociedad Mexicana de Control Biológico en 1989, la que ha impulsado el estudio y transferencia de tecnología en el uso de enemigos naturales para el control de plagas. Se presenta una síntesis de algunos casos de control biológico desarrollados en México sobre insectos plaga (exótica y endémica), maleza y fitopatógenos. Finalmente, se discuten los retos y oportunidades del control biológico en México.

Control Biológico de Organismos Nocivos en la Agricultura Mexicana

Biological Control of Noxious Organisms in Mexican Agriculture

Abstract

The history of biological control in Mexico as a scientific discipline and control method against noxious organisms is summarized. Studies on biological control in Mexico have increased substantially during the last 15 years, when 73% of all articles have been published. One of the reasons for such tendency is the creation of the Mexican Society of Biological Control in 1989, which promotes the study and technology transfer of the use of natural enemies for pest control. A summary of selected cases of biological control of insect pests, weeds, and plant pathogens is presented. Finally, the challenges and opportunities for biological control in México are discussed.

Introducción

El hombre creó el término “plaga” para referirse a cualquier organismo que perjudica su alimento, salud, vivienda y otros bienes. Las plagas sólo se encuentran en ambientes modificados por el hombre como áreas urbanas y agroecosistemas. En la naturaleza no existen plagas, sino consumidores que viven a expensas de productores primarios (plantas). Las plagas han estado asociadas al hombre desde el inicio de la agricultura, aunque su importancia se ha magnificado durante las últimas décadas debido a la globalización e intercambio comercial, lo que ha traído como consecuencia el movimiento de plagas

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Control Biológico de Organismos Nocivos

exóticas a regiones donde antes no existían. Por otro lado, diversos organismos endémicos se han convertido en plagas por las modificaciones que el hombre ha realizado en los ecosistemas naturales o por el uso inadecuado de medidas de control, particularmente los insecticidas (Rodríguez-del-Bosque, 2006).

Entre las estrategias de combate de plagas más amigables con el ambiente y de riesgos mínimos es el control biológico, el cual se define como el “uso de organismos vivos como agentes para el control de plagas” (Greathead y Waage, 1983). Es importante acotar que “organismos vivos” incluye a los virus, pero se excluyen los genes o fragmentos de éstos y los metabolitos obtenidos sin los organismos que los producen (Eilenberg et al., 2001). Los enemigos naturales utilizados en control biológico regulan las poblaciones de las plagas en forma autosostenible, por lo que otros métodos de control como los semioquímicos (feromonas, atrayentes, repelentes), insectos estériles, plantas resistentes o transgénicas que no son autosostenibles, no deben ser considerados como métodos de control biológico (García et al. 1988).

Existen tres tipos de enemigos naturales para el control biológico de insectos plaga: Parasitoides (avispitas, moscas), depredadores (catarinas, crisopas) y entomopatógenos (bacterias, virus, hongos, protozoarios, nemátodos). En el control biológico de maleza se utilizan insectos fitófagos y microorganismos altamente específicos. El control biológico de fitopatógenos es factible mediante el uso de microorganismos antagonistas (Greathead y Waage, 1983, Serrano y Galindo, 2006). En general se reconocen tres estrategias de control biológico: Clásico (introducción), incremento y conservación; aunque estas estrategias se han utilizado en diversas situaciones y circunstancias, la primera se dirige principalmente contra

plagas exóticas y las otras dos contra plagas endémicas. Cuando se introducen enemigos naturales exóticos para el control de plagas nativas se le denomina control biológico neoclásico o de nueva asociación (Barrera, 2006).

Además de las ventajas ecológicas, los beneficios económicos del uso del control biológico son sobresalientes. Se estima que por cada peso invertido en el control biológico de una plaga se obtiene una ganancia en promedio de 30 pesos, en contraste con los 5 pesos que se ganan por cada peso invertido en el control químico. En algunos casos la relación costo/beneficio ha superado los 300 pesos por cada peso invertido en control biológico (Barrer, 2006). En este capítulo se presenta un análisis histórico y las perspectivas del control biológico, con especial énfasis a casos desarrollados en México.

Historia

El primer registro del uso de enemigos naturales por el hombre data desde hace más de mil años cuando los chinos utilizaban hormigas depredadoras para el control de un defoliador de los cítricos, actividad que todavía se realiza. Sin embargo, el fenómeno de parasitismo no fue tan fácil de comprender por el hombre y se interpretó correctamente hasta 1706 al observar la emergencia de Apanteles glomeratus sobre Pieris rapae (Carrillo, 1985). A partir de entonces, una serie de descubrimientos han permitido sugerir el uso de parasitoides, depredadores y patógenos para el control de organismos nocivos. Sin embargo se reconoce que el control biológico como disciplina científica y estrategia de control nace en 1888 cuando se introdujo de Australia a California, E.U.A. a la catarina Rodolia cardinalis para el combate de la escama algodonosa de los cítricos Icerya purchasi. El éxito espectacular del caso anterior marcó la pauta en cientos

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de proyectos de control biológico a nivel mundial en los últimos 120 años, cuando se ha logrado algún nivel de éxito en más del 50% de los casos (Barrera, 2006). Sin embargo, es importante considerar algunos riesgos del control biológico, lo que ha ocasionado un debate durante la última década sobre la introducción de enemigos naturales, particularmente en relación al impacto negativo sobre organismos que no eran el objeto del control (Louda et al., 2003).

En México, el estudio y aplicación del control biológico tiene un siglo de historia. Diversos autores han tratado de documentar y sintetizar en diversas épocas el desarrollo de las actividades del control biológico como disciplina científica y estrategia fundamental en el manejo integrado de plagas (Coronado, 1975, Otero y Muñiz, 1981, Carrillo, 1985, Alatorre, 1992, Jiménez, 1999, Badii et al., 2000). Otero y Muñíz (1981) concluyeron “que el control biológico de insectos en México está aún en sus fases iniciales y que, a pesar de la fuerte expansión durante los últimos 30 años, el esfuerzo invertido aún no tiene resultados plenamente satisfactorios”. Por su parte, Carrillo (1985) comenta que “se han realizado muchos trabajos y se han obtenido grandes logros en el control biológico, aun cuando estamos lejos de alcanzar todos sus beneficios; indudablemente que todavía queda mucho por hacer en este campo”. Alatorre (1992) concluye que “el control microbiano en México es un área activa en la investigación para la industria, el gobierno y la academia; se espera que el desarrollo de bioinsecticidas se incremente en un futuro cercano”.

El interés por el control biológico en México data desde principios del siglo XX, aunque las acciones más decididas se iniciaron en los 1940´s con la introducción del parasitoide Aphelinus mali contra el pulgón lanígero del

manzano y de diversos parasitoides contra la mosca prieta de los cítricos (Carrillo, 1985, Barrera, 2006). En las décadas subsecuentes se han desarrollado diversos programas de control biológico en nuestro país con resultados variados (Arredondo, 2006). Durante los 1960´s el gobierno federal apoyó la creación de laboratorios principalmente para la cría masiva de Trichogramma spp. Dichos laboratorios fueron transferidos a diversas asociaciones de productores y universidades y actualmente suman 60, incluyendo los de la iniciativa privada, que producen y distribuyen 35 agentes de control biológico, de los cuales el 49% son parasitoides, 20% depredadores y 31% patógenos. La mitad de estos laboratorios produce Trichogramma pretiosum, especie producida y distribuida durante los últimos 45 años en México (Rodríguez-del-Bosque y Arredondo, 1999, Arredondo, 2006). Coronado (1975) comentó la necesidad de evaluar la eficacia del uso de Trichogramma en nuestro país en virtud de los resultados contrastantes en diversos programas, aspecto que sigue pendiente en la actualidad.

Existe un renovado interés por el control biológico en México durante las dos últimas décadas, no sólo en el sector científico-académico, sino también entre los productores y sociedad en general, quienes están más informados y concientes sobre los riesgos y desventajas del uso de agroquímicos y exigen alternativas de solución que no afecten la salud humana ni el ambiente. Lo anterior ha motivado el establecimiento de diversas empresas dedicadas a la producción y comercialización de enemigos naturales en el país (Rodríguez-del-Bosque y Arredondo, 1999, Arredondo, 2006).

Tendencias en la investigación. Recientemente se realizó un análisis bibliométrico de 3,150 publicaciones sobre control biológico en México desde 1791 hasta 2005 (Rodríguez-del-Bosque y Arredondo, 2007). Entre

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CAPÍTULO 13

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Figura 1. Número acumulado de publicaciones sobre control biológico en México a través del tiempo.

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En la Figura. 1 se muestra el desarrollo histórico de las publicaciones sobre control

biológico en México. Se observa que el 73% de las publicaciones ha ocurrido en los últimos

15 años. Existen varios motivos que pudieran explicar lo anterior, incluyendo la fundación de

la Sociedad Mexicana de Control Biológico en 1989; el apoyo gubernamental a la

investigación y becas de postgrado en esta disciplina; y a la labor de numerosas instituciones

y organismos como el Centro Nacional de Referencia en Control Biológico y los centros de

investigación y de enseñanza de nuestro país.

Figura 1. Número acumulado de publicaciones sobre control

biológico en México a través del tiempo.

La coautoría (autores/artículo) en los trabajos ha aumentado gradualmente, desde un

promedio de 1.1 antes de los 1950´s hasta 3.4 en la actualidad. Lo anterior se explica en virtud

de la necesidad de mayor cooperación interinstitucional para hacer más eficientes los recursos

humanos y materiales, política que fomentan organismos que financian la investigación, como

el CONACYT. La mayor proporción en relación al tipo de publicación se encuentra en las

memorias de congresos con un 56%, y disminuye en un 25% en revistas científicas (journals),

7% en memorias de cursos, 5% en revistas técnicas, 5% en folletos técnicos y 2 % en libros.

La nacionalidad de los autores es 91% de mexicanos y 9% extranjeros. De éstos

últimos, EUA es la nacionalidad más frecuente, aunque existen de numerosos países en todos

los continentes. Las instituciones, organismos y empresas que representan los autores de los

artículos antes de 1990 eran 40 mexicanas y 16 extranjeras. En cambio, actualmente las

instituciones son 128 mexicanas y 62 extranjeras, lo que demuestra el renovado interés por el

control biológico en nuestro país. De las instituciones mexicanas, destacan la DGSV, INIFAP,

UANL, CP, IPN, ECOSUR, UAT, UAAAN, U. de Colima, UNAM y U. A. de Chapingo.

Entre las extranjeras, las que cuentan con el mayor número de publicaciones son el USDA y

las Universidades de Texas A&M y California, todas ellas de EUA.

En relación al sector que representan las publicaciones, el 89% son de agricultura, el

5% de de recursos naturales, el 3% del sector pecuario y el 3% del sector salud. En el sector

agrícola, los cultivos que sobresalen en los estudios son maíz, cítricos, café, algodón, caña de

azúcar, frijol, tomate y nogal. En el sector de recursos naturales, el 42% se refieren al control

biológico de maleza acuática, el 36% a plagas forestales y el 22% a otro tipo de estudios. En

el sector pecuario, el 60% se refieren al control biológico de organismos dañinos en ganado

vacuno, el 28% a plagas de los pastos y el 12% a otro tipo de estudios. En el sector salud,

dominan los estudios sobre el control biológico de mosquitos con un 96%.

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los resultados obtenidos, destacan los siguientes. Existen registrados 1,370 colegas como primer autor. El 86% de los autores han publicado entre uno y tres artículos, lo que representa el 49% de todas las citas; el 10% de los autores han publicado entre cuatro y nueve trabajos, lo que equivale al 24% de las citas; por último, el 4% de los autores han publicado más de 10 artículos, lo que representa el 27% de las citas en la base de datos.

En la Figura. 1 se muestra el desarrollo histórico de las publicaciones sobre control biológico en México. Se observa que el 73% de las publicaciones ha ocurrido en los últimos 15 años. Existen varios motivos que pudieran explicar lo anterior, incluyendo la fundación de la Sociedad Mexicana de Control Biológico en 1989; el apoyo gubernamental a la investigación y becas de postgrado en esta disciplina; y a la labor de numerosas instituciones y organismos como el Centro Nacional de Referencia en Control Biológico y los centros de investigación y de enseñanza de nuestro país.

La coautoría (autores/artículo) en los trabajos ha aumentado gradualmente, desde un promedio de 1.1 antes de los 1950´s hasta 3.4 en la actualidad. Lo anterior se explica en virtud de la necesidad de mayor cooperación interinstitucional para hacer más eficientes los recursos humanos y materiales, política que fomentan organismos que financian la investigación, como el CONACYT. La mayor proporción en relación al tipo de publicación se encuentra en las memorias de congresos con un 56%, y disminuye en un 25% en revistas científicas (journals), 7% en memorias de cursos, 5% en revistas técnicas, 5% en folletos técnicos y 2 % en libros.

La nacionalidad de los autores es 91% de mexicanos y 9% extranjeros. De éstos últimos, EUA es la nacionalidad más frecuente, aunque existen de numerosos países en todos los continentes. Las instituciones, organismos y empresas que representan los autores de los artículos antes de 1990 eran 40 mexicanas y 16 extranjeras. En cambio, actualmente las instituciones son 128 mexicanas y 62 extranjeras, lo que demuestra el renovado interés por el control biológico en nuestro país. De las instituciones mexicanas, destacan la DGSV, INIFAP, UANL, CP, IPN, ECOSUR, UAT, UAAAN, U. de Colima, UNAM y U. A. de Chapingo. Entre las extranjeras, las que cuentan con el mayor número de publicaciones son el USDA y las Universidades de Texas A&M y California, todas ellas de EUA.

En relación al sector que representan las publicaciones, el 89% son de agricultura, el 5% de de recursos naturales, el 3% del sector pecuario y el 3% del sector salud. En el sector agrícola, los cultivos que sobresalen en los estudios son maíz, cítricos, café, algodón, caña de azúcar, frijol, tomate y nogal. En el sector de recursos naturales, el 42% se refieren al control biológico

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de maleza acuática, el 36% a plagas forestales y el 22% a otro tipo de estudios. En el sector pecuario, el 60% se refieren al control biológico de organismos dañinos en ganado vacuno, el 28% a plagas de los pastos y el 12% a otro tipo de estudios. En el sector salud, dominan los estudios sobre el control biológico de mosquitos con un 96%.

Con respecto al tipo de organismo dañino que se desea controlar, destacan los artrópodos con un 90%, seguido por los patógenos con 6%, maleza con 3.7% y vertebrados con 0.3%. Los agentes de control biológico más estudiados en México son los parasitoides y entomopatógenos con un 33 y 31% de las publicaciones, respectivamente. Los depredadores, fitófagos y vertebrados representan el 13, 2 y 1% de los estudios, respectivamente. Entre las familias de parasitoides destacan Braconidae y Trichogrammatidae y en menor proporción Encyrtidae, Bethylidae, Pteromalidae, Eulophidae, Ichneumonidae, Aphelinidae, Chalcididae y Tachinidae. Entre los depredadores, destacan las crisopas, ácaros, coccinélidos, coleópteros acuáticos, hormigas y arañas. Entre los estudios sobre entomopatógenos, destacan los hongos y las bacterias y en menor proporción los virus y nemátodos. Cabe destacar el gran interés por los entomopatógenos en los últimos años, ya que el 87% de los trabajos han sido reportados a partir de 1990.

Entre los grupos de plagas que se estudian en México para el control biológico destacan los nóctuidos, moscas de la fruta, mosquitos, moscas blancas, scolítidos, pulgones, crámbidos, ácaros, curculionidos, escamas y langosta. En relación al tema o tipo de estudio, destacan los trabajos básicos y exploratorios con un 83% y en menor proporción los estudios aplicados o avanzados con un 17%. Entre el primer grupo, destacan en orden

de importancia los estudios preliminares, pruebas de respuesta biológica, biología, revisiones, cría-producción, taxonomía y genética-biotecnología. En el segundo grupo destacan los estudios sobre MIP, control biológico por aumento, control biológico clásico, control biológico por conservación, transferencia de tecnología, formulación-comercialización y normatividad.

Casos Selectos. A continuación se presenta una síntesis de algunos casos de control biológico desarrollados en México sobre insectos plaga (exótica y endémica), maleza y fitopatógenos.

Insectos Plaga Exóticos

Mosca prieta de los cítricos, Aleurocanthus woglumi. La historia del control biológico en México le tiene reservado un lugar especial a las acciones desarrolladas contra la mosca prieta de los cítricos, al ser uno de los casos exitosos más conocidos a nivel mundial (Coronado, 1975, Arredondo, 2006). Esta plaga de origen asiático invadió México en 1935, lo que representó una grave amenaza a la citricultura mexicana. En 1938 se importó el parasitoide Eretmocerus serius de Panamá, aunque no logró establecerse. En un programa cooperativo con EUA, entre 1949 y 1950 se introdujeron a México cuatro parasitoides desde la India: Encarsia clypealis, E. opulenta, E. smithi y Amitus hesperidium, los cuales lograron una regulación efectiva de la plaga, que perdura hasta la fecha en todas las regiones citrícolas (Coronado, 1975, Carrillo, 1985, Arredondo, 2006). El mal uso de los insecticidas ha provocado brotes ocasionales de esta plaga en ciertas zonas, al afectar la acción de los parasitoides introducidos. Sin embargo, todos los casos se han controlado mediante la “repoblación” con parasitoides de otras regiones (Arredondo, 2006).

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CAPÍTULO 13

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Broca del cafeto, Hypothenemus hampei. Esta plaga originaria de África invadió México a fines de los 1970´s y desde entonces se ha convertido en la plaga más importante del café en nuestro país. A fines de los 1980´s se importó al parasitoide Cephalonomia stephanoderis de África. Desde entonces las investigaciones y transferencia de tecnología de cría y liberación de este parasitoide han sido intensas, particularmente en Chiapas, donde se han registrado niveles de parasitismo en campo de hasta 56%. Otros parasitoides que se han importado y evaluado su impacto potencial contra la broca del cafeto son Prorops nasuta y Phymasticus coffea. En la última década se han intensificado los estudios para seleccionar cepas del hongo Beauveria bassiana para el control de adultos (Barrera, 1995, Arredondo, 2006).

Cochinilla rosada del hibiscus, Maconellicoccus hirsutus. Esta plaga fue detectada en México por primera vez en Nayarit en 2004 y recientemente en Quintana Roo y Oaxaca. Es una plaga potencial agrícola, forestal y de los invernaderos, al atacar numerosas plantas como hibiscus, cítricos, caña de azúcar, café, anonas, ciruelos, guayaba, mango, mora vid, espárrago, algodón, soya y cacao. Para el control biológico de esta plaga en nuestro país, se introdujeron el parasitoide Anagyrus kamali de Belice y al depredador Cryptolaemus montrouzieri de Canada y EUA, los cuales han reducido las poblaciones de la cochinilla rosada hasta en un 96% (Arredondo, 2006).

Insectos Plaga Nativos

Barrenadores del tallo, Diatraea spp. Aunque algunos intentos aislados de control biológico contra barrenadores se realizaron a principios del siglo XX, los esfuerzos organizados y decididos se iniciaron en los 1950ʼs, principalmente mediante la introducción de

taquínidos exóticos; se incrementaron durante los 1960ʼs y 1970ʼs con el uso de especies de Trichogramma nativas mediante liberaciones aumentativas; y continúan desde los 1980ʼs a la fecha particularmente con la introducción de bracónidos exóticos y el movimiento de parasitoides nativos entre diversas regiones de México (Rodríguez-del-Bosque y Smith, 1997). A mediados de los 1980ʼs, en un caso de control biológico neoclásico, el bracónido asiático C. flavipes se introdujo exitosamente en Tamaulipas contra las plagas endémicas del maíz Diatraea saccharalis y D. lineolata, con niveles de parasitismo hasta del 53% (Rodríguez-del-Bosque et al., 1990). En los últimos 15 años en Los Mochis, Sinaloa se han movilizado, estudiado y liberado un total de 13 parasitoides nacionales y extranjeros contra el barrenador de la caña de azúcar D. considerata. Se estima que la disminución en el daño por el barrenador como resultado del control biológico representa un ahorro de 25 millones de pesos anualmente en la región (Vejar-Cota et al., 2005).

Gusano terciopelo de la soya, Anticarsia gemmatalis. Es el defoliador más importante de la soya en México, con pérdidas en el rendimiento hasta del 40%. Durante la última década se ha desarrollado en el sur de Tamaulipas un sistema de manejo integrado de A. gemmatalis, en el que el virus AgNPV, importado de Brasil, es el principal componente. El virus es capaz de eliminar hasta el 100% de las larvas de A. gemmatalis en campo, con las ventajas adicionales de no afectar la presencia de insectos depredadores (crisopa, chinches y arañas), no influir en la resurgencia de plagas secundarias y reducir el costo del control en un 50%, en comparación con el control químico de esta plaga. Esta tecnología se ha transferido ampliamente entre los productores de soya en la región y actualmente se utiliza en 10 mil ha (Avila y Rodríguez-del-Bosque, 2005, Avila et al., 2007).

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Maleza y Fitopatógenos

Lirio acuático, Eichhornia crassipes. Esta maleza acuática de origen sudamericano provoca graves problemas de índole económica, ecológica y de salud en México (Gutiérrez et al., 1994). Aunque se han importado a México los coleópteros Neochetina eichhorniae y N. bruchi como agentes de control biológico del lirio acuático, la capacidad reproductiva y el rápido crecimiento de esta maleza han impedido que estos fitófagos por sí solos eliminen el problema. Sin embargo, el uso combinado de estos insectos con los fitopatógenos Cercospora piaropi y Acremonium zonatum ha ofrecido una alternativa eficaz para controlar completamente la maleza, como se ha comprobado en la presa Cruz Pintada en Tlaquitenango, Morelos (Martínez y Gutiérrez, 2001).

Fitopatógenos. El control biológico de fitopatógenos mediante organismos antagonistas es una de las líneas de investigación y desarrollo de mayor expansión en México durante los ultimos años. Por citar algunos ejemplos, actualmente se cuenta con desarrollos tecnológicos en el país para el control biológico de diversas especies de Fusarium en tomate mediante el uso de Trichoderma harzianum y de la antracnosis del mango mediante la acción antagonista de bacterias y levaduras (Serrano y Galindo, 2006). Sin embargo, es importante considerar que la bioseguridad es un tema impostergable en el uso de agentes de control micobiano, particularmente en relación al efecto sobre organismos no blanco y el destino ambiental (Toriello, 2006).

Perspectivas. El control biológico de organismos nocivos no es la panacea, a pesar de los logros en numerosos casos a nivel mundial y en México. La historia también ha mostrado el lado oscuro de la utilización de enemigos

naturales para el control de plagas al afectar otras especies que no eran el objeto del control, aspecto que deben considerar todos los programas de control biológico antes de liberar cualquier organismo. Para lo anterior deberán cumplirse a cabalidad los requisitos y normas que para este propósito establece el gobierno federal. A pesar de sus riesgos y limitaciones, el control biológico representa la estrategia más deseable para el control de organismos nocivos en la agricultura y pilar fundamental del manejo integrado de plagas. El uso del control biológico como estrategia de combate de plagas se ve favorecida actualmente por la mayor concientización ecológica de la sociedad en general y de las políticas federales y locales de apoyo a acciones tendientes hacia la conservación y uso adecuado de los recursos naturales. Estas oportunidades deben ser canalizadas mediante esfuerzos conjuntos entre las diversas instituciones de investigación y de enseñanza superior en el país, con la concurrencia de agencias internacionales.

Conclusiones

Es posible concluir que los retos más importantes en el estudio y aplicación del control biológico en México son: (a) Evitar los efectos colaterales a otras especies mediante la introducción de agentes exóticos; (b) evaluar el impacto de Trichogramma en los programas de control biológico por aumento; (c) impulsar los estudios sobre control biológico por conservación; (d) realizar un análisis económico donde se detalle la relación beneficio/costo en cada programa; (e) fomentar un equilibrio entre los estudios básicos y los aplicados, es decir transitar del laboratorio hacia la validación y transferencia de tecnología en el campo con mayor celeridad; y (f) aprovechar la biotecnología para la producción de microorganismos como agentes de control biológico y asegurar su calidad y bioseguridad.

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CAPÍTULO 13

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SECCIÓN II


Capítulo 14

203G.G. RIVAS-PLATERO. CATIE, Turrialba, Cartago. Cos-ta Rica.

Resumen

Este documento presenta una serie de consideraciones para el enfoque del manejo agroecológico de plagas. Inicia con un planteamiento de la importancia de la biodiversidad en la agricultura y como ésta influye sobre el establecimiento de la plaga y la toma de decisiones al momento de manejarla. Posteriormente, aporta lineamientos sobre como las prácticas agrícolas pueden contribuir al favorecimiento de un agroecosistemas sostenible. Finalmente, destaca la importancia de la adopción de sistemas agroecológicos para el manejo de plagas sobre los medios de vida y los capitales de la comunidad. Se resaltan los diferentes aportes que reciben los capitales humano, cultural, social, político, construido y natural.

Hacia una Nueva Concepción del Manejo de Plagas: el Enfoque Agroecológico

Toward a New Concept for Plague Management: the Agroecological Approach

Abstract

This document presents a series of considerations on agroecological pest management. It begins with a discussion of the importance of biodiversity in agriculture and how this influences pest establishment and pest management decision making. Next, it makes suggestions about agricultural practices that can contribute to the viability of sustainable agroexosystems. Finally, it emphasizes the importance of the adoption of agroecological management for the livelihood and the well-being of the community including cultural, social and political effects, as well as effects on human capital.

Introducción

Los esquemas de producción agrícola basados en la dependencia tecnológica de variedades de alto rendimiento y el uso de agroquímicos han ocasionado una serie de desbalances en los agroecosistemas, que han conllevado a una fragilidad del mismo. En ese contexto, estos sistemas se han vuelto susceptibles a la presencia de organismos plaga que han proliferado ante la eliminación de sus enemigos naturales o la facilitación de condiciones óptimas para su desarrollo y potencial presencia expresada por daños mecánicos a las planta (fitofagia) o elevada incidencia de un organismo plaga. Estas condiciones han favorecido la presión de selección ya sea por el

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monocultivo o por el uso excesivo de plaguicidas; lo cual ha permitido la ruptura de la resistencia al hospedante (en este caso la planta) y/o al plaguicida (la molécula química del biocida aplicado). Con base a lo anterior, el desarrollo de la agricultura sostenible en los últimos años ha planteado nuevos retos tecnológicos, enfocados principalmente hacia la reconversión tecnológica, de una agricultura de alta inyección de insumos a una tecnología ecológica y sostenible. Este enfoque permite visualizar el manejo agroecológico como una opción viable para afrontar la presencia de plagas en un agroecosistema. Este capítulo plantea una serie de considerandos agroecológicos que podrían tomarse en cuenta para el manejo de plagas y enfatiza los impactos de la adopción de prácticas agroecológicas sobre los capitales de la comunidad.

Importancia de la biodiversidad en la agricultura. Durante los últimos años, la preocupación por la conservación de la biodiversidad se ha convertido en un “paradigma” de lo que tenemos y estamos perdiendo (Halffter y Ezcurra, 1992). El término biodiversidad surge como un elemento de particular concepción, precisamente cuando existe un momento de profunda preocupación por la pérdida del ambiente natural en instituciones académicas y organismos nacionales e internacionales dedicados a la conservación biológica (Gaston y Spicer, 1998). No obstante, el panorama actual muestra una creciente degradación y agotamiento de los sistemas biológicos y de su diversidad. Los seres humanos han impulsado estrategias acordes con los patrones económicos imperantes para convertir ecosistemas complejos en ecosistemas simples, poniendo en peligro la estabilidad de los procesos biofísicos de la vida y desencadenando lo que se ha dado en llamar “la crisis de la biodiversidad” (Toledo, 1994). Estas ideas revisten especial importancia ya que la tecnología agrícola, mediada por la revolución verde y el eso de agroquímicos

combinados con cultivares de alto rendimiento ha mermado considerablemente la biodiversidad de los ecosistemas agrícolas y por consiguiente disminuido su productividad.

Biodiversidad y manejo de plagas: el enfoque agroecológico. Los sistemas de producción agrícola se vuelven intensivos ante la creciente demanda por alimentos; esto implica usar cultivos con altos rendimientos dependientes del desarrollo de una tecnología con base en productos químicos sintéticos y cultivares con resistencia genética fundamentada en genes mayores. Los agroquímicos pueden causar daño a la comunidad y contaminar nuestros recursos básicos: suelo y agua; los segundos pueden tener una duración efímera (Bustamante y Rivas, 1999). Los ecosistemas naturales presentan una forma original de vida en diferentes áreas climáticas del mundo; éstos son biomas maduros, diversificados, ricos, complejos y evolucionados. En el ámbito fitosanitario pueden desempeñar los siguientes roles:

• Operar como fuentes de plagas; • Proporcionar formas naturales de control biológico

y • Actuar como una rica fuente de germoplasma

para el desarrollo de cultivares resistentes a factores fitosanitarios adversos.

De igual manera, las plantas, al mismo tiempo que constituyen la fuente de suministro de alimentos y fibras, son también uno de los factores que desequilibran el ecosistema, el cual por la influencia humana, pasa de complejo y diversificado a uno simple y uniforme. Esto lo convierte en sistemas vulnerables a patógenos, los cuales al no encontrar las barreras naturales propias del sistema natural fácilmente rompen cualquier estructura de resistencia. Por otro lado, esa uniformidad genética de los

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ecosistemas agrícolas propicia el desarrollo de epifitías que rápidamente alcanzan niveles inmanejables. Apple (1977), señala que un cultivo en sí es una “plaga” pues está fuera de balance biológico. Las especies vegetales en comunidades silvestres disponen de compuestos secundarios que proporcionan la defensa a plagas (Janzen, 1973). El monocultivo y la selección de cultivares, erosiona la base genética y produce que con la selección, las plantas pierdan esas sustancias que son antagonistas a plagas, lo que repercute en una predisposición y susceptibilidad a artrópodos, babosas, bacterias, fitoplasmas, hongos, malezas, nematodos, plantas parásitas, protozoarios, vertebrados, viroides y virus (Browning, 1998). En este proceso se ha generado una dependencia hacia los plaguicidas, los cuales han traído efectos deletéreos al ecosistema (Janzen, 1973). Bustamante et al. (2000) proponen que la agricultura sostenible, se fundamenta en tres principios básicos, los cuales deben encontrar el equilibrio entre cada uno de ellos, y que se encuentran representados por: sostenibilidad; equidad económica; y productividad.

Los principios expuestos hacen referencia a: la eficiencia, variabilidad en el manejo, renovabilidad del recurso y la fragilidad del sistema al referirnos Al concepto de productividad. Y por otra parte, sostener principios básicos tales como, la sostenibilidad y la equidad económica, se sugiere la relación del cultivo y las variables de ingreso, rentabilidad y distribución de las ganancias a través de un manejo productivo sostenido en el tiempo (Bustamante et al. 2000). La biodiversidad en el agroecosistema, debemos concebirla como el conjunto de todas las especies de animales, plantas y microorganismos que existen e interactúan dentro de este sistema. Estos elementos desempeñan funciones específicas, p.e. los enemigos naturales, lombrices de tierra y la biota

microbiana del suelo son los componentes claves de la biodiversidad, ya que ellos participan activamente en el control biológico, en la disponibilidad de nutrimentos y en la descomposición de la materia orgánica. La potenciación de esas funciones, puede lograrse a través del compostaje, cultivos intercalados, agroforestería y rotaciones de cultivos, entre otras (Altieri y Nicholls, 1999). Los agroecosistemas son entes dinámicos y dependen de los diferentes niveles de manejo; así como de los arreglos de cultivos en el tiempo y el espacio. Esta evolución modifica tanto las estructuras biológicas como las de cultivos, las socioeconómicas y ambientales. Vandermeer y Perfecto (1995) señalan que en los agroecosistemas se pueden detectar dos componentes de la biodiversidad:

• Biodiversidad planeada, o sea la asociada con los cultivos y la ganadería, ésta varía con el manejo y los arreglos espaciales de los cultivos establecidos; y

• Biodiversidad asociada, la cual incluye la flora y la fauna del suelo, herbívoros, carnívoros, descomponedores de materia orgánica, entre otros, que colonizan el agroecosistema en los ambientes circunvecinos y que pueden prosperar en éste, dependiendo de su manejo y estructura (Figura 1).

Acá es importante considerar al manejo integrado de plagas que plantea la consideración de aspectos económicos, sociales, de protección al ambiente y a la salud y no tiene únicamente la meta de prevenir pérdidas en cantidad y calidad. En este enfoque se integran métodos y disciplinas diversas, los cuales no son nuevos ya que desde tiempos precolombinos ya se disponían de prácticas de sostenibilidad para el manejo de enfermedades (Thurston 1992). Un ecosistema agrícola puede definirse como el complejo total de organismos de un área de cultivo,

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Figura 1. Biodiversidad planeada y asociada: rol en la promoción de funciones del ecosistema

(Vandermeer y Perfecto, 1995).

Figura 2. Principales factores biológicos y ambientales de plaga-sistema y sus interacciones.

Por otro lado, también hay que tener presente que el análisis de diversidad de plantas

en un sistema de producción se puede hacer con relación a dos grupos: plantas no deseables y

plantas útiles, ambos presentes en condiciones de campo y cuyo manejo puede significar, en

el primer caso, un incremento en los costos de producción. Las primeras serán aquel grupo de

plantas denominadas malezas o arvenses, las cuales son motivo de manejo en la mayoría de

los cultivos, por su alta competencia por luz, nutrimentos, agua y espacio. Esto las convierte

Cultivos

AmbienteAgroclim· tico y

TecnolÛgico

Microbiota benÈfica Arvenses

Plagas insectiles, PatÛgenos, vectores

Manejo del Agroecosistema

Biodiversidad planeada

Biodiversidad asociada

Biodiversidad en ambientes

circunvecinos

Funciones del ecosistema:

-Ciclo de nutrientes -Control

biolÛgico de plagas

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Figura 1. Biodiversidad planeada y asociada: rol en la promoción de funciones del ecosistema

(Vandermeer y Perfecto, 1995).


Por otro lado, también hay que tener presente que el análisis de diversidad de plantas

en un sistema de producción se puede hacer con relación a dos grupos: plantas no deseables y

plantas útiles, ambos presentes en condiciones de campo y cuyo manejo puede significar, en

el primer caso, un incremento en los costos de producción. Las primeras serán aquel grupo de

plantas denominadas malezas o arvenses, las cuales son motivo de manejo en la mayoría de

los cultivos, por su alta competencia por luz, nutrimentos, agua y espacio. Esto las convierte

Cultivos

AmbienteAgroclim· tico y

TecnolÛgico

Microbiota benÈfica Arvenses

Plagas insectiles, PatÛgenos, vectores

Manejo del Agroecosistema

Biodiversidad planeada

Biodiversidad asociada

Biodiversidad en ambientes

circunvecinos

Funciones del ecosistema:

-Ciclo de nutrientes -Control

biolÛgico de plagas

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junto con todas las condiciones del medio modificado por las actividades agrícolas, industriales, sociales y recreacionales del hombre (Smith y Van den Bosh 1967). Con esta consideración, es importante tener en cuenta que en el desarrollo de una plaga, hay que tener en cuenta los factores que componen al plaga-sistema antes de iniciar el manejo de los agentes causales y sus interacciones (Figura 2).

Por otro lado, también hay que tener presente que el análisis de diversidad de plantas en un sistema de producción se puede hacer con relación a dos grupos: plantas no deseables y plantas útiles, ambos presentes en condiciones de campo y cuyo manejo puede significar, en el primer caso, un incremento en los costos de producción. Las primeras serán aquel grupo de plantas denominadas malezas o arvenses, las cuales son motivo de manejo en la mayoría de los cultivos, por su alta competencia por luz, nutrimentos, agua y espacio. Esto las convierte en plantas que necesitan ser disminuidas en su población con el fin de conseguir los niveles de producción adecuados. Estas plantas, además del factor competitivo, tienen también la posibilidad de albergar muchos de los patógenos, en especial hongos, bacterias, virus, insectos vectores y nematodos, que pueden afectar posteriormente a los cultivos principales, o contribuir a su permanencia en el suelo (Rivas et al., 1995).

Existen casos donde estas malezas pueden llegar a multiplicar patógenos de importancia económica que en algunos casos invalidan la importancia de las medidas de rotación de cultivos. Este es el caso de la presencia de malezas albergadoras o susceptibles a bacterias como Pseudomonas solanacearum, Agrobacterium tumefaciens, o nematodos del género Meloidogyne spp., así como un gran número de hongos del suelo (Bustamante et al.,

Figura 1. Biodiversidad planeada y asociada: rol en la promoción de funciones del ecosistema (Vandermeer y Perfecto, 1995).


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1970). En cuanto a patógenos foliares, las malezas pueden ser hospedantes o portadoras de complejos virales que son diseminados por insectos vectores (Rivas Platero et al., 1995).

Con base en la situación anterior, una estrategia fundamental de MIP es evitar la dispersión de plantas indeseables. Esta dispersión puede ocurrir con la introducción de semillas de cultivos que vienen acompañadas de malezas, muchas de ellas exóticas en el país y las cuales en muchos casos son muy agresivas. Un ejemplo de este tipo de malezas es la Rottboellia cochinchinensis, la cual fue distribuida con semillas de cereales en América. La infestación de esta planta es más severa en las zonas tropicales de nuestro continente que en su lugar de origen (Holm et al., 1977). Para disminuir los riesgos de esta diversidad no deseada, es importante considerar medidas de exclusión como cuarentenas o la producción de semilla certificada, herramientas fundamentales del manejo integrado de patógenos. Es necesario enfatizar que muchas de estas introducciones biológicas una vez distribuidas en una región, constituyen un proceso irreversible que a pesar de costosos programas de erradicación es difícil asegurar su éxito.

Por otro lado en las plantas útiles, se debe considerar la diversidad del hospedante y la naturaleza de las fuentes de resistencia que constituyen uno de los fundamentos más importantes del MIP, por lo tanto es necesario estudiar el funcionamiento de los sistemas diversificados y de los ecosistemas naturales en relación con su impacto sobre el desarrollo de patógenos. De similar interés es el análisis de la estrategia de mejoramiento en ausencia del patógeno, así como la vulnerabilidad de los cultivares comerciales y las necesidades de disponer de fuentes de resistencia y evitar la pérdida de materiales valiosos.

¿Como la agrobiodiversidad favorece el manejo de enfermedades?. Las plantas cuentan con defensas estructurales y bioquímicas para hacer frente al ataque de patógenos, las primeras se refieren a las barreras físicas que impiden o limitan la penetración y propagación del patógeno, y las segundas hacen referencia al conjunto de reacciones bioquímicas que se suceden en las células y tejidos produciendo sustancias que pueden actuar como toxinas para el patógeno o bien inhibir su desarrollo.

Las plantas para defenderse del ataque de plagas, utilizan su aparato metabólico para producir una serie de defensas, las defensas metabólicas o bioquímicas. Estas pueden ser de dos tipos las preexistentes y las inducidas. Las defensas bioquímicas preexistentes corresponde a inhibidores liberados por las plantas en su medio ambiente, defensa debida a la falta de factores esenciales, falta de reconocimiento entre el hospedante y el patógeno, falta de receptores sensibles en el hospedante, falta de nutrientes esenciales para el patógeno, inhibidores presentes en las células vegetales antes de la infección. Las defensas metabólicas o bioquímicas inducidas por el ataque de los patógenos son inhibidores bioquímicos y reacción de hipersensibilidad (Agrios, 1998).

En una misma planta pueden darse de manera simultánea diferentes mecanismos de defensa y por consiguiente variados niveles de respuesta frente al ataque de los patógenos y otras condiciones adversas. Cuando se tienen agroecosistemas diversificados, es decir, mezclas o asociaciones de diferentes especies vegetales, de variedades de una misma especie o variedades cuya composición genética es variable, el resultado es la complementariedad de las estrategias de defensa.

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La alta diversidad biológica mejora la productividad de los agroecosistemas y su capacidad para recuperarse de las perturbaciones, en este sentido se llama la atención sobre la diversidad funcional, es decir, el papel del organismo dentro del ecosistema. La diversidad funcional se refiere a la cantidad de grupos de especies realizando diferentes funciones ecológicas sin importar la identidad taxonómica, en este sentido puede decirse también que la diversidad funcional es el efecto de la biodiversidad sobre los procesos ecosistémicos.

El concepto de biodiversidad funcional se basa en el de nicho, entendiendo por tal no sólo las respuestas de los organismos al ambiente abiótico y biótico, sino también sus efectos sobre el mismo, los caracteres funcionales de las plantas tienen la potencialidad de alterar profundamente el funcionamiento de los agroecosistemas de los cuales forman parte.

Es de esperar que al asociar plantas resistentes con plantas susceptibles se presente una reducción por unidad de área de la cantidad de tejido susceptible, además se interfiere sobre la movilidad del inóculo de una planta susceptible a otra, una vez que las plantas con algún nivel de resistencia o que no son hospedantes del patógenos actúan como una barrera física, en este sentido la agrobiodiversidad mejora la eficiencia ecológica, la capacidad de regulación y la actividad biológica, las relaciones tróficas se potencian promoviendo la estabilidad poblacional de agentes patógenos.

Tanto el rizoplano como el filoplano son modificados, en el primer caso, al incrementar la agrobiodiversidad se favorece el aporte de materia orgánica al agroecosistemas, la cual es responsable en gran proporción de la actividad bioquímica y la actividad biológica en el suelo. De

acuerdo con Venegas (1996) la materia orgánica favorece la aparición de fenoles y otros compuestos derivados por el metabolismo de la lignina, que permiten el incremento y estabilización de poblaciones de antagonistas, hongos y bacterias del suelo, como también modificadores en la capacidad de intercambio y de los niveles de CO2.

Al reactivarse la vida del suelo se promueve el efecto de supresividad, el cual consiste en la presencia de organismos antagonistas que colonizan los micronichos y ejercen presión de competitividad causando un ambiente de inanición y acción de metabolitos tóxicos sobre los patógenos, llegando a reducir de manera considerable sus poblaciones y por ende su daño sobre las plantas. De igual manera con una mayor diversidad de especies de plantas, se puede manejar la densidad de siembre y la sombra lo cual a nivel de la filosfera modifica condiciones de microclima, temperatura y humedad relativa, que inciden directamente en la colonización de organismos antagonistas.

Prácticas agrícolas sustentables. El desarrollo de estrategias de manejo del cultivo conllevan a considerar una serie de elementos que permitan establecer un agroecosistema sostenible, éstos podrían enfatizar los siguientes aspectos:

1. Acciones agronómicas, tales como un manejo adecuado del cultivo que permita impedir ataques de plagas, diversificación y rotación de cultivos, prácticas de manejo de aguas y suelos y uso eficiente de métodos de manejo de plagas.

2. Medidas biológicas, con miras a optimizar el uso de antagonistas y controladores naturales.

3. Uso de biopreparados, estas sustancias pueden

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contribuir a un manejo menos contaminante de plagas.

4. Potenciación de sistemas rizosféricos, la utilización de simbiosis benéficas entre las raíces de las plantas y organismos benéficos puede coadyuvar a establecer mecanismos de defensa y promover interacciones biológicas positivas en el ámbito de la rizosfera.

5. Uso de inductores de resistencia, este tipo de sustancias pueden desencadenar mecanismos de defensa inducida en el hospedante, ante la presencia de organismos plaga.

Una de las estrategias preponderantes para el manejo agroecológico de plagas será la potenciación de los sistemas rizosféricos que optimizarán la salud del suelo y por consiguiente el estado sanitario de la planta. Los organismos del suelo desempeñan una serie de roles en cada agroecosistema, p.e. promueven la productividad de la planta, favorecen relaciones hídricas con el sub-sistema planta-suelo-simbionte, regulan la mineralización de ciertos nutrientes y permiten la descomposición de la materia orgánica (Neher, 1999). Esto permite establecer que el agroecosistema depende enormemente de las interacciones o sinergias que puedan establecerse entre la biota rizosférica, las plantas y por ende aquellas prácticas de cultivo (abonos verdes, cultivos de cobertura, rotaciones, control biológico, etc,) que tiendan a la sostenibilidad del mismo en el tiempo (Altieri y Nicholls, 2006).

Actualmente, se sabe que la estabilidad ecológica inherente a los ecosistemas naturales y su autorregulación característica, se pierden cuando el hombre modifica las comunidades naturales a través de la ruptura de la frágil red de interacciones en el ámbito de comunidades. Sin embargo, esa ruptura puede ser reparada restituyendo

los elementos que han sido perdidos en la comunidad, a través de la adición o el incremento de la biodiversidad funcional, lo cual se puede lograr con la introducción de prácticas agrícolas como el uso de barreras vivas; éstas pueden atraer enemigos naturales y/o polinizadores, que en su gran mayoría son, a la vez, depredadores y parasitoides de insectos plaga.

En la regulación de la abundancia de organismos indeseables a través de la depredación, el parasitismo y la competencia, los depredadores, parásitos y patógenos actúan como agentes de control natural, regulando la población de herbívoros o patógenos. Esto puede conllevar a una reducción del uso de plaguicidas y por consiguiente coadyuvar al establecimiento de sistemas limpios de cultivo. Asimismo, los costos del manejo de plagas pueden ser reducidos de manera sustancial y obviamente los riesgos de contaminantes para humanos, fauna y ambiente se disminuyen.

Sistemas agroecológicos y capitales de la comunidad. La adopción de sistemas agroecológicos para el manejo de plagas puede tener una serie de impactos en el ámbito de medios de vida y capitales de la comunidad. En el capital humano, la influencia más grande será sobre la salud humana, la adopción de nuevas prácticas que disminuyan la dependencia los plaguicidas sintéticos disminuirá el riesgo de contaminaciones y envenenamientos, muy comunes en las sociedades agrícolas regionales. En centroamérica, durante 1998, fueron reportadas a los sistemas de vigilancia epidemiológica de cinco de los siete países de América Central casi 6 000 intoxicaciones causadas por plaguicidas (Henao 1999). En el ámbito del capital social, los productores tenderán a asociarse para conformar grupos de productores agroecológicos, lo que les permitirá accesar nuevos mercados y por ende redituar

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mejores beneficios económicos. En el capital cultural, la aplicación de los fundamentos ecológicos para el manejo de plagas permitirá adquirir nuevos conocimientos y experiencias; los cuales podrán ser compartidos y de esta manera se rescatarán conocimientos locales que tenderán a posicionar los sistemas tradicionales de producción campesina que incorporan una cantidad variable de innovaciones productivas y tecnológicas con el objetivo de practicar una agricultura de subsistencia (Altieri, 1999).

En este sentido, los agroecosistemas de pequeños productores se caracterizan por ser unidades de producción de pequeña escala, discontinuos geográficamente, muchos de ellos ubicados en laderas y con características edafoclimáticas diversas, además de esto, es común encontrarlos asociados a comunidades de vegetación natural (Altieri, 1999).

Por otra parte, actualmente existe un consenso a nivel internacional de generar y/o perfeccionar prácticas agrícolas, que estén en función de asegurar la cantidad, seguridad alimentaria y la sustentabilidad de los recursos naturales no renovables. Según esto la FAO define el desarrollo sostenible, como el manejo y conservación de la base de los recursos naturales, y la orientación de los cambios tecnológicos e institucionales, de manera que se garantice la satisfacción de las necesidades humanas para las generaciones presentes y futuras. Y que además, lo considera como un proceso de desarrollo que conserva los recursos de la tierra, el agua, plantas y animales, no degrada el medio ambiente, es técnicamente apropiado, económicamente viable y socialmente aceptable (Riechman, 2003).

En la historia de la agricultura, los campesinos han realizado experimentos que les permiten introducir nuevas

técnicas para realizar cambios en los sistemas productivos que ellos manejan, en este sentido, los procesos de experimentación con novedosas estrategias de manejo y observación, sumado al análisis de las interacciones con los diferentes actores, son factores primordiales para la toma de decisiones a nivel de agroecosistema campesino (Wiegel y Guharay, 2001).

A través de estas ideas también se nutre el capital construido, ya que los productores construyen y adoptan nuevas tecnologías. En este sentido, el estudio agroecológico de los agroecosistemas campesinos en el trópico debiese ser el punto de partida para entender las dinámicas ecológicas presentes en el manejo de los recursos naturales por parte de los habitantes de una región, ya que estos sistemas han sobrevivido y se han reproducido adaptándose a una gran cantidad de variaciones biofísicas y culturales a través de la historia, lo cual fundamenta a investigadores a otorgar gran importancia a las practicas tradicionales para el desarrollo de una agricultura mas sostenible (Méndez y Gliessman, 2002).

No obstante, los agroecosistemas campesinos se encuentran en una constante dependencia a factores de variabilidad e incertidumbre, en especial a los cambios del clima y de precios del mercado, los cuales, a pesar de ocurrir en grandes escalas, se dejan sentir a nivel local. Los factores de variabilidad, además de las condiciones del clima o los mercados de productos agrícolas, estos también, incluyen factores tales como: el surgimiento de nuevas plagas; cambios tecnológicos; intensificación de los cultivos; uso de variedades tolerantes; diversidad de los factores geomorfológicos y edafoclimáticos a escala local, donde cada factor antes mencionado, se traduce en condiciones que favorecen en ocasiones, el ataque y desarrollo de plagas y enfermedades (Staver, 2000)

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CAPÍTULO 14

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Otro de los capitales que adquiere gran importancia es el político, ya que mediante los procesos de organización de los productores, éstos realizan alianzas estratégicas con diversos socios, p.e. servicios de extensión, sector privado, cadenas de mercado, autoridades locales (alcaldes en municipios, etc.). El desarrollo de estas alianzas permite consolidar el desarrollo de nuevos productos que se ponen a la disposición de los consumidores.

Finalmente, el capital natural será de gran relevancia en este contexto, ya que la adopción de un enfoque agroecológico redundará en el mantenimiento y conservación de la biodiversidad, la protección de los recursos suelo, agua y aire; esto permitirá mejorar la calidad de vida del productor y su entorno.

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CAPÍTULO 14

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SECCIÓN II


Capítulo 15

L.J. GALÁN-WONG, K. ARÉVALO-NIÑO, L.A. GA-LÁN-FRANCO Y H.A. LUNA-OLVERA. Instituto de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Biológicas de la U.A.N.L. Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L., México.

Resumen

Actualmente la industria que ocupa el primer lugar a nivel mundial con ventas anuales de 1.3 trillones de dólares es la industria agrícola. El uso de microorganismos y la biotecnología y su aplicación en la agricultura sustentable, genera una gran cantidad de productos tradicionales (cerveza, destilados y vinos, licores, yogurt, quesos, biogas, etanol como biocombustible, etc.) y de la biotecnología moderna (proteínas recombinantes, tomate de maduración lenta, plantas resistentes a la sequía, al ataque de insectos y herbicidas, resistentes a virus, plantas

Presente y Futuro del Uso de Microorganismos y la Biotecnología en la Agricultura Sustentable

Present and Future of Use Microorganisms and Biotechnology in Sustainable Agriculture

modificadas genéticamente con propiedades promotoras de salud: anticáncer, con suplemento de hierro, bajas en calorías y suplementadas con vitamina A, y compañías de biotecnología que están involucradas con la modificación genética de árboles forestales. Por lo anterior, se discutirá: 1).- Cómo apoya la biotecnología a través del uso de microorganismos a la agricultura sustentable para generar los anteriores y nuevos productos y servicios. 2).- Cuáles son las áreas de oportunidad que existen en la biotecnología innovadora y las opciones de su mejoramiento en los procesos industriales sustentables y 3).- Cuál es la importancia de las herramientas modernas (tecnología antisentidos, ADN recombinante, ingeniería de proteínas, microarreglos, biosensores, bioprocesamientos, etc.) que se utilizan en la biotecnología que combinadas con el conocimiento científico apoya a la agricultura sustentable. Finalmente, el gran apoyo de la biotecnología y el uso de microorganismos en la agricultura sustentable se traducen en un alto valor por sus actuales y futuros beneficios para el hombre y el medio ambiente.

Abstract

At this moment the agricultural industry occupies first place in the world with annual sales of 1.3 trillion dollars. The use of microorganisms and biotechnology and their application in sustainable agriculture generate a great quantity of traditional products (beer, distilled spirits

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CAPÍTULO 15

and wines, liquors, yogurt, cheeses, biogas, ethanol as a biofuel, etc.) and modern biotechnology has added other products such as recombinant proteins, slow maturation tomatos, plants resistant to drought, plants resistant to the attack of insects and herbicides, plants resistant to viruses, genetically modified plants with properties that promote health such as plants with anticancer properties, plants with iron supplement, plants low in calories and supplemented with vitamin A. Biotechnology companies are also involved with genetic modification of forest trees. For the above-mentioned reasons, we will discuss: 1). How biotechnology supports sustainable agriculture practices through the use of microorganisms to generate existing and new products and services. 2). What are the opportunity areas that exist in innovative biotechnology and the options for their improvement in sustainable industrial processes and 3). The importance of modern tools (antisense technology, recombinant DNA, engineering of proteins, microarrangements, biosensors, bioprocess, etc.) that are used in biotechnology that combined with the scientific knowledge support sustainable agriculture. Finally, how support of biotechnology and the use of microorganisms in sustainable agriculture are translated to high value by their current and future benefits for the man and the environment.

Introducción

El diccionario de la Cámara de Ciencia y Tecnología en E.U.A., define como Biotecnología al uso de organismos o sus componentes, ya sean silvestres o manipulados genéticamente para ser usados por ejemplo, en procesos industriales o agrícolas (Evans y Furlong, 2003). El término de Biotecnología fue originalmente acuñado en 1919 por el ingeniero Húngaro Kart Ereky, para describir un proceso integrado en la producción a gran escala de

cerdos alimentados con azúcares de la remolacha. En el concepto de Ereky, la Biotecnología se refería a “cualquier producto generado a partir de materias primas, mediante la ayuda de agentes biológicos”. Por lo anterior, se discutirá en que forma apoya la Biotecnología a través del uso de microorganismos a la agricultura sustentable, áreas de oportunidad que existen en la Biotecnología Innovadora y las opciones del mejoramiento de los procesos industriales sustentables y que impactan en la agricultura. Así como cuál es la importancia de las herramientas modernas que se utilizan en la Biotecnología que son combinadas con el conocimiento científico para apoyar a la Agricultura Sustentable y ¿Cuáles son sus productos y servicios que se han generado?

Apoyo de la biotecnología a través del uso de microorganismos para la agricultura sustentable. Actualmente un rango amplio de procesos, ha sido descrito como Biotecnología; aunque es difícil definir la consistencia del término, en una aplicación a alimentos, la Biotecnología usualmente describiría los siguientes procesos:

1.- Modificación directa del ADN de plantas, animales o microorganismos, que son usados como alimentos conocidos popularmente como “organismos modificados genéticamente” (OMG).

2.- Microorganismos o sus productos usados directamente como alimentos o aditivos de alimentos.

3.- ADN o métodos basados en proteínas para la detección o identificación de microorganismos o sus productos en alimentos (Johnson-Green, 2002).

Por su parte, la Biotecnología moderna o también

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Figura 1. Proceso biotecnológico industrial.


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Microorganísmos y Biotecnología

denominada “molecular”, agrupa procesos que utilizan métodos más novedosos de ingeniería genética, biología molecular o la fusión celular para obtener organismos capaces de fabricar productos que generan ventas que ya rebasan los 25 billones de dólares en el año 2000, con la aportación paralela de múltiples beneficios para la especie humana, (Glick y Pasternak, 2003), por ejemplo:

1.- Nuevas variedades de plantas resistentes al estrés, calor excesivo, salinidad, sequía, o bien, productos de maduración lenta resistentes a enfermedades virales o fúngicas y al ataque de insectos.

2.- Nuevas razas de animales comestibles que tienen ahora otros atributos genéticos.

3.- Nuevos microorganismos con capacidad de producir antibióticos, polímeros, enzimas, aminoácidos y diversos aditivos para alimentos.

4.- Nuevas formas de remover contaminantes del medio ambiente o contenidos en materiales de desecho.

5.- Nuevos y revolucionarios sistemas de diagnóstico en la prevención y cura de enfermedades

infecciosas y genéticas.

Por otra parte, un proceso de Biotecnología industrial que usa microorganismos para producir productos comerciales, típicamente se conforma de tres etapas clave: Ver Figura 1. (Bull, 2004).

1.- La preparación de la materia prima que se utilizará como fuente de alimento por el microorganismo blanco.

2.- La fermentación y biotransformación: se refiere al crecimiento (fermentación) del microorganismo en un bioreactor grande (usualmente de más de 100 litros), con la subsecuente producción (biotransformación) del compuesto deseado. Ejemplo: un antibiótico, un aminoácido o una proteína.

3.- La purificación del compuesto: esto es, la separación de la molécula deseada del medio donde fue producida o la masa celular que la produjo.

Actualmente la investigación biotecnológica está enfocada a maximizar y eficientizar estos pasos, sin embargo, no siempre esta dinámica fue así. Durante los

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60ʼs y 70ʼs, se dedicó mucho esfuerzo al procesamiento de las materias primas, al diseño de bioreactores y al desarrollo de metodologías de separación y purificación. Toda esta generación de conocimiento rindió sus frutos en el desarrollo de una instrumentación mejor para el monitoreo y control de las fermentaciones, así como una mejor eficiencia en el rendimiento de productos durante la fabricación a gran escala y descubrimiento de nuevos microorganismos.

Sin embargo, el componente de biotransformación resultó ser la etapa más difícil de manipular, debido a que la producción de las cepas microbianas es mucho menor a gran escala que a los inferiores niveles optimizados. Actualmente la mayor parte de la Biotecnología usa microorganismos en gran escala.

Finalmente, la biotecnología no hubiera subsistido como una ciencia innovadora, sin la ayuda de las herramientas tecnológicas que la impulsaron a cubrir nuevas áreas de necesidad y oportunidad en la Salud Humana y Animal, Nutrición, Tecnologías Amigables con el Medio Ambiente y Agricultura Sustentable. Ver Figura 2, así como una búsqueda intensiva de microorganismos y/o sus genes o partes para su uso en la industria agropecuaria.

Las áreas de oportunidad que existen en la biotecnología innovadora y las opciones del mejoramiento de los procesos industriales sustentables. La biotecnología innovadora está asociada íntimamente a la nueva biología y busca explorar; ya sea en términos de los microorganismos por sí mismos; por sus actividades; por sus productos metabólicos o por sus genes. Los elementos que la conforman, se encuentran en la Figura 3. Por otra parte, el descubrimiento depende del reconocimiento de nuevos organismos, la definición de los blancos

biotecnológicos, y la invención y las nuevas estrategias de financiamiento, asuntos que son puntos focales.

Después de la identificación de un área biotecnológica, la pregunta que surge es ¿Qué microorganismo o qué grupo de microorganismo pudiera ser el más propenso para enfocar nuestra estrategia de búsqueda? Algunos guías para la selección de organismos incluyeron, el desempeño del porcentaje de juego. Por ejemplo: 1) Los actinomicetos como fuente del biofarmacéutico, 2) Las bases de datos e interrogantes si existen de química taxonómica y propiedades taxonómicas, 3) El enfoque a una taxa nueva o rechazada, 4) El aislamiento recuperado de ecosistemas poco usuales o bajamente explorados y 5) El cotejar los blancos con los miembros de taxas previamente analizados, sin conocer, como por ejemplo, la cianobacteria, produce la proteína denominada Cyanovirin N que inactiva el HIV, Virus del Sida.

El negocio de las industrias basadas en la Biotecnología, se fundamenta en la búsqueda de la explotación de la biología o en las palabras de la Convención de la Diversidad Biológica y Recursos Genéticos donde se define a los recursos genéticos como “El material genético de valor real o potencial e inclusive el organismo completo, los componentes celulares y sus extractos y los ácidos nucleicos”. Una búsqueda típica y un programa de descubrimiento en Biotecnología podría incluir: a) La colección de recursos genéticos apropiados, b) Los ensayos para búsqueda de propiedad de interés, c) El desarrollo de un producto o de un proceso comercial y finalmente d) El inicio y creación de una CdeB.

Con el propósito de maximizar el alcance de las actividades de ensayo, las compañías pueden incluir un rango de recursos genéticos en sus búsquedas y programas

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CAPÍTULO 15

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Figura 2. Áreas y métodos usados en biotecnología.

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Figura 2. Áreas y métodos usados en biotecnología.

Las áreas de oportunidad que existen en la biotecnología innovadora y las opciones del

mejoramiento de los procesos industriales sustentables. La biotecnología innovadora está

asociada íntimamente a la nueva biología y busca explorar; ya sea en términos de los

microorganismos por sí mismos; por sus actividades; por sus productos metabólicos o por sus

genes. Los elementos que la conforman, se encuentran en la Figura 3. Por otra parte, el

descubrimiento depende del reconocimiento de nuevos organismos, la definición de los

blancos biotecnológicos, y la invención y las nuevas estrategias de financiamiento, asuntos

que son puntos focales.

Después de la identificación de un área biotecnológica, la pregunta que surge es ¿Qué

microorganismo o qué grupo de microorganismo pudiera ser el más propenso para enfocar


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Figura 3. Los elementos de la biotecnología innovadora.

Figura 4. Opciones del mejoramiento del proceso sustentable.

200

La importancia de las herramientas modernas que se utilizan en la biotecnología que

son combinadas con el conocimiento científico para apoyar a la agricultura sustentable.

La biotecnología ha penetrado en diversos sectores industriales de manufactura y de servicios.

El rango de técnicas definidas por la biotecnología es extenso, variado y ninguna de ellas es

aplicable en todos los sectores mencionados, sin embargo, es tal la versatilidad de la

Biotecnología que muchas industrias que no la habían considerado, están ahora usando

sistemas biológicos para explorar estas opciones.

Figura 4. Opciones del mejoramiento del proceso sustentable.

Información reciente de la OCED (2001) en la Biotecnología para el desarrollo

industrial sustentable demostró que “La aplicación de la Biotecnología consigue un proceso

más sustentable, un impacto ecológico disminuido y en el mayor sentido la reducción o la

eliminación del uso de servicios del agua, y producción de gas o de aguas negras”. Se alcanzó

esta conclusión al escrutar 21 casos de estudio de compañías que pertenecen a una amplia

gama de sectores industriales y países que han adoptado a la Biotecnología, en primer lugar

por razones económicas, sin embargo, también por la mejora absoluta de la sustentabilidad

como se muestra en la Figura 4.

Las aplicaciones de la biotecnología crecen en las áreas médica, medio ambiente y

agricultura. Todas generadas del conocimiento científico y las nuevas herramientas

biotecnológicas surgidas en estas últimas décadas. Lo anterior sería imposible sin el apoyo

decidido de leyes, la economía de mercado y el financiamiento para generar empresas

públicas y privadas.

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de descubrimiento. La mayor parte de las compañías le dan prioridad a los microorganismos y plantas, sin embargo, Laird y Tenkate (1999) reveló un mayor movimiento de la biota hecho por las industrias biotecnológicas como un todo.

La importancia de las herramientas modernas que se utilizan en la biotecnología que son combinadas con el conocimiento científico para apoyar a la agricultura sustentable. La biotecnología ha penetrado en diversos sectores industriales de manufactura y de servicios. El rango de técnicas definidas por la biotecnología es extenso, variado y ninguna de ellas es aplicable en todos los sectores mencionados, sin embargo, es tal la versatilidad de la Biotecnología que muchas industrias que no la habían considerado, están ahora usando sistemas biológicos para explorar estas opciones.

Información reciente de la OCED (2001) en la Biotecnología para el desarrollo industrial sustentable demostró que “La aplicación de la Biotecnología consigue un proceso más sustentable, un impacto ecológico disminuido y en el mayor sentido la reducción o la eliminación del uso de servicios del agua, y producción de gas o de aguas negras”. Se alcanzó esta conclusión al escrutar 21 casos de estudio de compañías que pertenecen a una amplia gama de sectores industriales y países que han adoptado a la Biotecnología, en primer lugar por razones económicas, sin embargo, también por la mejora absoluta de la sustentabilidad como se muestra en la Figura 4.

Las aplicaciones de la biotecnología crecen en las áreas médica, medio ambiente y agricultura. Todas generadas del conocimiento científico y las nuevas herramientas biotecnológicas surgidas en estas últimas

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CAPÍTULO 15

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Conocimiento Científico + Herramientas Biotecnológicas = Aplicaciones en Áreas

(Médica, Medio Ambiente y Agricultura). Ver Figura 5.

Figura. 5. Conocimiento científico más herramientas tecnológicas y las diversas aplicaciones

de Biotecnología que generan.

A continuación en el Cuadro 1 se detallan algunas aplicaciones de las herramientas

biotecnológicas mas comúnmente empleadas en diversas ciencias aplicadas relacinadas con

procesos tan diversos como ingeniería de proteínas; tecnología de biosensores; cultivo de

tejidos, crear proteínas llamadas anticuerpos

Figura. 5. Conocimiento científico más herramientas tecnológicas y las diversas aplicaciones de Biotecnología que generan.


décadas. Lo anterior sería imposible sin el apoyo decidido de leyes, la economía de mercado y el financiamiento para generar empresas públicas y privadas.

Conocimiento Científico + Herramientas Biotecnológicas = Aplicaciones en Áreas (Médica, Medio Ambiente y Agricultura). Ver Figura 5.

A continuación en el Cuadro 1 se detallan algunas aplicaciones de las herramientas biotecnológicas mas comúnmente empleadas en diversas ciencias aplicadas relacinadas con procesos tan diversos como ingeniería de proteínas; tecnología de biosensores; cultivo de tejidos, crear proteínas llamadas anticuerpos

La Biotecnología, una de las mayores tecnologías del Siglo XXI, actividad multidisciplinaria que incluye técnicas de ADN recombinante, clonación y las aplicaciones de la microbiología y otras tecnologías de cultivos de células para la producción de una amplia gama de productos y servicios, donde los antibióticos y otros productos enfocados a tratamientos revolucionados de muchas enfermedades, se basan en el uso de tecnologías limpias con el propósito de resolver problemas ambientales.

Las principales áreas de aplicación de la biotecnología (Smith, 2004).

• Tecnología de Bioprocesos• Tecnología de Enzimas• Tecnología de Desechos• Tecnología Ambiental• Tecnología de Recursos Renovables• Agricultura, Animal y Plantas• Salud Humana

Tecnología de bioprocesos.- Históricamente la más importante área de la Biotecnología, cerveza, antibióticos, cultivo de células de mamíferos ha desarrollado y progresado extensamente en nuevos productos llamados polisacáridos, drogas de importancia médica, solventes, alimentos con alto contenido de proteínas, diseño de nuevos fermentadores para optimización de la productividad.

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Cuadro 1. Aplicaciones de las herramientas biotecnológicas en la agricultura sustentable.

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Cuadro 1. Aplicaciones de las herramientas biotecnológicas en la agricultura sustentable.

Descripción de Tecnologías Ejemplos de Aplicaciones Actuales

Tecnología Antisentido

(Disminuye la producción de proteínas

específicas bloqueando los genes que la

codifican).

1.- Disminución de la maduración de los alimentos.

2.- El control de las enfermedades virales.

3.- La ingeniería de las rutas metabólicas en los cultivos

agrícolas.

4.- El tratamiento de enfermedades y ciertos cánceres.

Tecnología de Ingeniería de Proteínas

(Mejora las proteínas existentes como las

enzimas y los anticuerpos y área de

proteínas que no se encuentran en la

naturaleza).

1.- Creación de enzimas nuevas.

2.- El mejoramiento en la habilidad catalítica de las enzimas.

3.- El desarrollo sostenible de procesos industriales.

4.- El mejoramiento de las proteínas responsables en la

fabricación de pan.

Tecnología de Microarreglos

(Permite el análisis de miles de genes de

proteínas y de otras moléculas

simultáneamente).

1.- La detección de mutaciones genéticas.

2.- El tratamiento con medicamentos personalizados.

3.- La detección de toxicidad potencial en un medicamento.

4.- La identificación del grado de avance de la enfermedad.

5.- El encontrar microorganismos para la limpieza de

contaminantes.

Tecnología DNA Recombinante

(Ingeniería Genética). (El uso de técnicas

moleculares para unir o para recombinar

moléculas de DNA a partir de diversas

fuentes).

1.- El tratamiento de ciertas enfermedades genéticas.

2.- El mejoramiento del calor nutritivo en los alimentos.

3.- El desarrollo de plásticos biodegradables.

4.- El suministro de nuevas y mejores vacunas.

5.- El mejoramiento de agentes de biocontrol en la agricultura.

6.- La disminución de los alergénicos en ciertos alimentos.

7.- El aumento en la producción de maíz y la disminución de

sus costos de producción.

Tecnología de Biosensores

(Consiste en un componente biológico

como una enzima vinculada a un pequeño

“transductor” que produce una señal óptica

o eléctrica cuando el compuesto biológico

se vincula a otra molécula).

1.- La medición de los niveles de azúcar en la sangre.

2.- El monitoreo de procesos industriales en tiempo real.

3.- El proporcionar a los médicos con resultados de pruebas al

instante.

4.- La ubicación y cuantificación de contaminantes

ambientales.

5.- La medición de valores nutritivos y la seguridad en los

alimentos.

Tecnología de Cultivos Celulares

(Es el crecimiento de células en

contenedores de laboratorio, con nutrientes

apropiados o en bioreactores en

instalaciones de manufactura).

1.- El uso creciente del biocontrol en la agricultura.

2.- El reemplazo de pruebas en animales con pruebas celulares.

3.- El tratamiento de ciertos problemas médicos, reemplazando

células dañadas o en mal funcionamiento con células muertas.

4.- La producción de plantas terapéuticas que ocurran

naturalmente.

Tecnología de Bioprocesamiento

(El uso de células vivas como levaduras,

bacterias, células de mamíferos, o sus

enzimas para la fabricación de productos

útiles, el rompimiento de moléculas o bien

para generar energía).

1.- La limpieza de sitios con desechos tóxicos.

2.- La producción de energía a partir de basura agrícola.

3.- La fabricación de compuestos terapéuticos y las vacunas.

4.- La producción de alimentos fermentados y de

complementos nutritivos.

5.- La fabricación de enzimas industriales y químicos a partir

de “feed stock”.

Tecnologías de Anticuerpos:

Monoclonales

(Usa las células del sistema inmunológico

para crear proteínas llamadas anticuerpos

vinculados a sustancias con una

extraordinaria especificidad).

1.- Diagnóstico de enfermedades infecciosas.

2.- Tratamiento de enfermedades inmunológicas.

3.- Detección de microorganismos dañinos en los alimentos.

4.- Ubicación y cuantificación de contaminantes ambientales.

5.- Diferenciación entre células cancerosas y células normales.

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CAPÍTULO 15

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Tecnología de enzimas.- En reacciones químicas extremadamente específicas de catálisis, enzimas inmovilizadas, en convertidores moleculares específicos (bioreactores), formación de productos incluidos L-aminoácidos, jarabes altamente fructosados, penicilinas semisintéticas, hidrólisis de celulosa y almidón, enzimas para bioensayos.

Tecnología de desechos.- Para la conservación y reciclamiento de fuentes; alimentos y fertilizantes combustibles biológicos.

Tecnología ambiental.- La aplicación de conceptos tecnológicos para resolver problemas ambientales – control de la contaminación, remover desechos tóxicos, recuperación de metales de los desechos de las minas.

Tecnología de recursos renovables.- Uso de fuentes de energía renovables en particular lignocelulosa, para generar nuevas fuentes de materiales químicos y energía (etanol), metano, hidrógeno, utilización total de material animal y vegetal, tecnología limpia, tecnología sustentable.

Agricultura, animales y plantas.- Plantas modificadas genéticamente que contengan un mejor valor nutricional, plantas con resistencia a enfermedades y que conserven su calidad, mejoren rendimientos y que toleren el “stress”. Se incrementa su disponibilidad comercial, productividad improvisada para animales de granja, darles mejor calidad alimenticia, sabor y de seguridad microbiológica.

Salud humana.- Nuevas drogas y mejores tratamientos con medicinas, para enfermedades tradicionales y nuevas, diagnósticos para enfermedades,

entendimiento del genoma humano, proteómica y genómica y tecnología de la bioinformática.

En el 2003 se plantaron en 18 países, 68 millones de hectáreas de cultivos transgénicos (15% de incremento respecto al 2002), que incluían trigo resistente a herbicidas o marchitamiento; papa resistente a insectos; soya, maíz, trigo y algodón resistentes a glifosfato; así como maíz tolerante a sequía, además de fríjol, maíz, canola y plátano ricos en grasas monoinsaturadas tipo Omega-3, o plátano de maduración lenta. (Stokstad, 2004; Castle, 2004).

China acaba de aprobar un extracto (ingrediente activo) de la planta Salvia miltiorrhiza en su forma inyectable, que tiene efecto curativo para enfermedades coronarias y la angina de pecho, sin embargo, se desconocen los mecanismos curativos. (Walsh, 2006).

De acuerdo con Kleter et al. (2001) entre las substancias elaboradas en plantas modificadas genéticamente con propiedades promotoras de salud, se encuentran aquellas que producen compuestos como antioxidantes, licopenos, suplementos, etc. (Cuadro 2).

Al demandar los tratados de Kyoto, Japón, reducciones de gases invernadero y con la pérdida de la mancha forestal que rebasa el reemplazo por medios naturales, estaremos a tiempo para iniciar la siembra de áreas boscosas manipuladas genéticamente; la Biotecnología podría ser clave para ayudar a los países que no puedan reforestarse tradicionalmente. Hace mucho tiempo la Biotecnología no estaba en posición para llenar esa brecha. Los gobiernos, las compañías y los investigadores no se abalanzaron sobre los campos forestales con Biotecnología, como lo hicieron en los campos agrícolas.

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Cuadro 2. Plantas modificadas genéticamente con propiedades promotoras de salud.

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En el 2003 se plantaron en 18 países, 68 millones de hectáreas de cultivos transgénicos

(15% de incremento respecto al 2002), que incluían trigo resistente a herbicidas o

marchitamiento; papa resistente a insectos; soya, maíz, trigo y algodón resistentes a glifosfato;

así como maíz tolerante a sequía, además de fríjol, maíz, canola y plátano ricos en grasas

monoinsaturadas tipo Omega-3, o plátano de maduración lenta. (Stokstad, 2004; Castle,

2004).

China acaba de aprobar un extracto (ingrediente activo) de la planta Salvia

miltiorrhiza en su forma inyectable, que tiene efecto curativo para enfermedades coronarias y

la angina de pecho, sin embargo, se desconocen los mecanismos curativos. (Walsh, 2006).

De acuerdo con Kleter et al. (2001) entre las substancias elaboradas en plantas

modificadas genéticamente con propiedades promotoras de salud, se encuentran aquellas que

producen compuestos como antioxidantes, licopenos, suplementos, etc. (Cuadro 2).

Cuadro 2. Plantas modificadas genéticamente con propiedades promotoras de salud.

Sustancia Beneficio Cultivo

Provitamina A Antioxidante

Vitamina A suplementada

Arroz

Vitamina E Antioxidante Canola

Flavonoides Antioxidante Tomate

Fructanos (polisacáridos

indigeribles)

Bajas calorías Remolacha

Hierro Suplemento hierro Arroz

Al demandar los tratados de Kyoto, Japón, reducciones de gases invernadero y con la

pérdida de la mancha forestal que rebasa el reemplazo por medios naturales, estaremos a tiempo

para iniciar la siembra de áreas boscosas manipuladas genéticamente; la Biotecnología podría ser

clave para ayudar a los países que no puedan reforestarse tradicionalmente. Hace mucho tiempo

la Biotecnología no estaba en posición para llenar esa brecha. Los gobiernos, las compañías y los

investigadores no se abalanzaron sobre los campos forestales con Biotecnología, como lo

hicieron en los campos agrícolas.

Conclusiones

Finalmente, se puede concluir que la biotecnología apoyada con el uso de

microorganismos y las herramientas modernas que están ligadas fuertemente al conocimiento

científico, han logrado una gran cantidad de productos y servicios, tales como los ejemplos que

mencionamos anteriormente, en donde cada día son más los beneficios que se generan para

hacer que la Agricultura Sustentable nos brinde un mejor bienestar económico y calidad de vida

para el hombre y medio ambiente.

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Conclusiones

Finalmente, se puede concluir que la biotecnología apoyada con el uso de microorganismos y las herramientas modernas que están ligadas fuertemente al conocimiento científico, han logrado una gran cantidad de productos y servicios, tales como los ejemplos que mencionamos anteriormente, en donde cada día son más los beneficios que se generan para hacer que la Agricultura Sustentable nos brinde un mejor bienestar económico y calidad de vida para el hombre y medio ambiente.

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CAPÍTULO 15

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SECCIÓN II


Capítulo 16

K. ARÉVALO-NIÑO1, L.J. GALÁN-WONG1 Y C. SOLÍS-ROJAS2. 1Instituto de Biotecnología, 2Departamento de Zoología de Invertebrados. Universidad Autónoma de Nuevo León. Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L., México.

Resumen

Un desarrollo sustentable, en un sentido amplio, significa aquella serie de actividades que satisfacen las necesidades de la generación presente, sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus necesidades propias. El concepto de agricultura sustentable puede tener significados diferentes para mucha gente. Pero tiene como fundamento, el ser un concepto que tiene consideraciones a largo plazo, más que consideraciones económicas de corto plazo, y que involucra dimensiones

Importancia de Bacillus thuringiensis (Bt) como Agente de Control Biológico de Plagas en una Agricultura Sustentable

Importance of Bacillus thuringiensis as a Biological Control Agent of Pests in Sustainable Agriculture

tripartitas interdependientes para medir la sustentabilidad: ecológicas, económicas y sociales. El uso excesivo de herbicidas y plaguicidas químicos se ha visto reducido por la aparición de los biopesticidas, los cuales junto con otras prácticas conforman en Manejo Integrado de Plagas (MIP). Compañías productoras de estos productos, conjuntado el conocimiento científico y el desarrollo tecnológico, a través de la Biotecnología, dieron origen a las plantas transgénicas o cultivos modificados genéticamente (CMG). A través de ambos tipos de productos Bacillus thuringiensis ha jugado un papel muy importante para la agricultura. En el presente capitulo se describen algunos conceptos y datos que permiten resaltar la importancia de este microorganismo en la agricultura sustentable.

Abstract

Sustainable development, in the broadest sense, means meeting the populationʼs current needs without sacrificing the ability of future generations to meet their needs. The concept of sustainable agriculture means different things to different people. Specific details may vary, but all share a common theme: a longer-term view than the one dictated by short-term economic considerations and a tripartite set of interdependent dimensions for measuring sustainability: ecological, economic and social. The excessive use of chemical herbicide and pesticides, has been somewhat reduced with the adoption

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of biopesticides, which together with other practices form Integrated Pest Management (IPM). Many companies that produce these products have colaborated using technology and scientific knowledge and, especially biotechnology, to create transgenic plants or transgenic crops. Bacillus thuringiensis has played an important role in agriculture in both types of products: biopesticides and the insect resistant crops. In this chapter a brief review of some concepts and data are shown to point out the importance of this microorganism to sustainable agriculture.

Introducción

Los sectores industriales que participan en la economía de un país se enfocan hacia la manufactura (elaboración de productos), o hacia la generación de servicios. Estos sectores pueden estar dirigidos a diversas áreas: Salud, Química, Agricultura, entre otras. En esta ultima, específicamente en la elaboración de productos, se encuentran los alimentos obtenidos directamente del campo (cereales, tubérculos, hortalizas, etc.), y las materias primas que servirán como base para la elaboración de productos en otros sectores industriales (bebidas, alimentos procesados, minería, química, materiales, etc.). No cabe duda que la agricultura es una actividad económica primaria de vital importancia a nivel mundial que impacta en muchas otras actividades económicas, por lo que debe de ser considerada para su desarrollo bajo un esquema de sustentabilidad.

El significado del desarrollo sostenible para la agricultura. El criterio de que el crecimiento económico y la conservación del medio ambiente pueden y deben ser compatibles, se definió como “Desarrollo Sostenible.” Esta frase se introdujo en 1980 durante el debate de la Estrategia Mundial para la Conservación. Esta idea fue posteriormente difundida en 1987 en un informe por la Comisión Mundial

sobre el Ambiente y el Desarrollo (Comisión Brundtland), según la cual: “Desarrollo Sostenible” es el que satisface las necesidades de la generación presente, sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus necesidades propias (Unasylva, 1992).

Sin embargo, en la mayoría de las definiciones de desarrollo sostenible se contemplan tres dimensiones: la ecológica, la económica y la social. El desarrollo sostenible no pudo excluir el sector agrícola y el término “Agricultura Sostenible” apareció pronto. Hay muchas formas de definir el término “Agricultura Sostenible” en el mundo. La sustentabilidad en la agricultura esencialmente significa el equilibrio armónico entre el desarrollo agrario y los componentes del agro-ecosistema.

Este equilibrio se basa en una adecuado uso de los recursos localmente disponibles (tales como: clima, tierra, agua, vegetación, cultivos locales y animales, habilidades y conocimiento propio de la localidad) para poner adelante una agricultura que sea económicamente factible, ecológicamente protegida, culturalmente adaptada y socialmente justa, sin excluir los insumos externos que se pueden usar como un complemento al uso de recursos locales (Figura 1). Éste es el concepto que fue denominado LISA en Estados Unidos (Agricultura Sostenible y de Bajos Insumos) o LEISA por otros (Agricultura Sostenible y de Bajos Insumos Externos).

Agricultura sustentable. La agricultura sustentable generalmente se refiere a un modo de agricultura que intenta proporcionar rendimientos sostenidos a largo plazo, mediante el uso de tecnologías ecológicas de manejo. Altieri en 1999, ubicó el uso contemporáneo del término agroecología en los años 70´s. Es la ciencia que provee los principios ecológicos básicos para estudiar,

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Figura 1. Atributos de la Agricultura Sustentable.

Elementos de sustentabilidad. Los dogmas básicos de un agroecosistema sustentable son la

conservación de los recursos renovables, la adaptación del cultivo al ambiente y el

mantenimiento de un nivel alto, aunque sustentable, de productividad. Para poner énfasis en la

sustentabilidad ecológica a largo plazo, más que en la productividad a corto plazo, el sistema

debe:

• Reducir el uso de energía y recursos.

• Emplear métodos de producción que restablezcan los mecanismos homeostáticos

conducentes a la estabilidad de la comunidad, optimizar las tasas de intercambio, el

reciclaje de materia y nutrientes, utilizar al máximo la capacidad multiuso del sistema

y asegurar un flujo eficiente de energía.

• Fomentar la producción local de productos alimenticios, adaptados al establecimiento

socioeconómico y natural.

• Reducir los costos y aumentar la eficiencia y la viabilidad económica de los pequeños

y medianos agricultores, fomentando así un sistema agrícola potencialmente resilente

y diverso (Altieri et al, 1999).

La agricultura sustentable se apoya en una serie de herramientas y tecnologías

dirigidas a cumplir con los elementos de sustentabilidad, cuidado del medio ambiente y la

conservación de los recursos renovables, entre otros. Las tres dimensiones que se contemplan

en la agricultura sustentable tienen muchas facetas o niveles de impacto: sustentabilidad

ecológica, esta incluye la cantidad y calidad de los materiales esenciales para la agricultura y

la conservación del medio ambiente dentro de los ecosistemas que interaccionan en esta

actividad; la sustentabilidad económica, esta relacionada primero con la productividad

agrícola, y se mide primeramente como el rendimiento por hectárea y el valor económico de

los gastos de inversión y de ventas.

Otros factores de sustentabilidad económica son los precios del alimento a los

consumidores, la vitalidad económica de los negocios agrícolas en las comunidades rurales, e

incluso variables como los subsidios de gobierno y mercados internacionales: la

Ecológicamente

protegida

Económicamente

factible

AGRICULTURA

SUSTENTABLE

Socialmente justa

Culturalmente adaptada

Recursos externos

Recursos locales

Figura 1. Atributos de la Agricultura Sustentable.


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Bacillus Thuringiensis como Agente de Control Biológico

diseñar y manejar agroecosistemas que sean productivos y conservadores de los recursos naturales, que también sean culturalmente sensibles, socialmente justos y económicamente viables.

Elementos de sustentabilidad. Los dogmas básicos de un agroecosistema sustentable son la conservación de los recursos renovables, la adaptación del cultivo al ambiente y el mantenimiento de un nivel alto, aunque sustentable, de productividad. Para poner énfasis en la sustentabilidad ecológica a largo plazo, más que en la productividad a corto plazo, el sistema debe:

• Reducir el uso de energía y recursos.

• Emplear métodos de producción que restablezcan los mecanismos homeostáticos conducentes a la estabilidad de la comunidad, optimizar las tasas de intercambio, el reciclaje de materia y nutrientes, utilizar al máximo la capacidad multiuso del sistema y asegurar un flujo eficiente de energía.

• Fomentar la producción local de productos alimenticios, adaptados al establecimiento socioeconómico y natural.

• Reducir los costos y aumentar la eficiencia y la viabilidad económica de los pequeños y medianos agricultores, fomentando así un sistema agrícola potencialmente resilente y diverso (Altieri et al, 1999).

La agricultura sustentable se apoya en una serie de herramientas y tecnologías dirigidas a cumplir con los elementos de sustentabilidad, cuidado del medio ambiente y la conservación de los recursos renovables, entre otros. Las tres dimensiones que se contemplan en la agricultura

sustentable tienen muchas facetas o niveles de impacto: sustentabilidad ecológica, esta incluye la cantidad y calidad de los materiales esenciales para la agricultura y la conservación del medio ambiente dentro de los ecosistemas que interaccionan en esta actividad; la sustentabilidad económica, esta relacionada primero con la productividad agrícola, y se mide primeramente como el rendimiento por hectárea y el valor económico de los gastos de inversión y de ventas.

Otros factores de sustentabilidad económica son los precios del alimento a los consumidores, la vitalidad económica de los negocios agrícolas en las comunidades rurales, e incluso variables como los subsidios de gobierno y mercados internacionales: la sustentabilidad social, comprende aquellas variables que afectan la calidad de vida en comunidades rurales, así como el numero de familias agrícolas, migración de las áreas rurales a las urbanas, variables demográficas, como la distribución de edad y nivel educacional. Variables de segundo orden se extienden a la sociedad como un todo, donde incluyen componentes como alimentos de alta calidad con el mínimo de riesgo para la salud humana y animal. Como es cierto para todos los sistemas con muchas variables

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interactuando e interdependientes, la meta de la agricultura sustentable es reconocer la dinámica que existe entre las tres dimensiones (Kreuzer and Massey, 2005).

Manejo integrado de plagas (MIP). El uso indiscriminado de productos para controlar las plagas en los diferentes cultivos (agrícolas, forestales, ornamentales, etc.) ha traído resultados adversos a los principios de un desarrollo sustentable. En los años sesenta surge una nueva metodología para el combate de plagas denominada manejo integrado o combate integral (Leslie et al, 1993).

El Manejo Integrado de Plagas (MIP, por sus siglas en inglés), en sus inicios se considero una alternativa multifuncional a problemas principalmente de tipo ecológico, ocasionados por el uso masivo de los productos químicos, principalmente la creación de resistencia por parte de las plagas y la contaminación ambiental. Sin embargo, aun una alternativa como esta con todos los beneficios que presenta, debe ser planeada bajo un esquema de sustentabilidad y adecuada a los factores socioculturales de cada país.

Existe suficiente evidencia sobre los problemas de generación de resistencia en las plagas hacia los productos químicos, así como los perjuicios provocados por la fabricación y uso de los plaguicidas, tanto por la contaminación en el ambiente como por los riesgos para la salud humana; por ejemplo, un millón de personas se intoxican anualmente por el uso de los mismos (PNUMA, 1990). Es por esto que día a día se están tratando de desarrollar nuevas y menos contaminantes estrategias de control, para lo cual son necesarios importantes esfuerzos de I&D, transferencia y extensión rural.

Como se menciono anteriormente, una de las estrategias a emplear dentro del MIP es el Control Biológico, dentro del cual se encuentra el Control Microbiano, que se basa en el uso de microorganismos o sus productos, es decir bacterias, hongos, virus, protozoarios y nemátodos, para reducir y estabilizar las poblaciones de insectos plaga (Lecuona, 1996). Los productos que se han generado a base de microorganismos para su uso en el control de insectos plaga, se denominan bioinsecticidas, y su objetivo dentro de la agricultura sustentable, es disminuir el uso de productos químicos, que son nocivos al medio ambiente o que por su uso excesivo incrementan los costos de producción agrícola.

Bacillus thuringiensis en el MIP. Bacillus thuringiensis (Bt), es una bacteria que se caracteriza por la producción de un cristal intracelular proteico (_ endotoxina), el cual es toxico a un amplio rango de insectos hospederos, dependiendo de los genes que posea la bacteria y que codifican para las diferentes proteínas toxicas (Cry), agrupadas actualmente en mas de 49 clases (Watrud, et al, 1996; Alcamo, 2003). El primer producto a base de este microorganismo se comercializa en 1938, a partir de esa fecha una infinidad de productos a base de esta bacteria se han desarrollado.

Ecológicamente esta bacteria se considera autóctona de muchos ambientes y hábitats, incluyendo suelo, insectos, productos almacenados, hojas, etc. Se considera que existe simbióticamente con invertebrados, así como con plantas y actualmente solo se puede especular sobre su valor ecológico. Dentro de sus actividades toxicas, además de actuar contra insectos (lepidópteros, dípteros, coleópteros, himenópteros, Ortópteros), también han demostrado actividad contra arácnidos (ácaros), nematelmintos, platelmintos y contra ciertas líneas celulares cancerosas

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(Galan-Wong et al., 2006; Schnepf et al., 1998).

En el año 2000, se estimaba la existencia de185 bioplaguicidas comercialmente, a nivel mundial, de los cuales 72 se elaboraban a base de bacterias (Harris y Dent, 2000). La aplicación de la actividad bioinsecticida descubierta en Bacillus thuringiensis, ha contribuido a la Agricultura con dos tipos de productos, los cuales han sido obtenidos por la combinación del conocimiento científico y el avance de las herramientas tecnológicas aplicadas por la Biotecnología y otras áreas de las ciencias. Estos productos son: los bioinsecticidas para ser aplicados de forma similar a los productos químicos, y las plantas transgénicas (cultivos modificados genéticamente, CMG), obtenidos por la incorporación de la información genética de esta bacteria en cultivos para conferirles actividad insecticida. En el primer caso, existen en el mercado un gran número de productos a nivel mundial, dirigidos a una diversidad de insectos plaga que afectan diferentes cultivos de importancia agrícola y forestal.

Es evidente que los insecticidas bacterianos son los más numerosos y con los cuales se han desarrollado los primeros métodos microbiológicos para combatir a las plagas (Leucona, 2002). Las industrias fabricantes de estos productos han experimentado cambios como fusiones y adquisiciones, han crecido, se han creado nuevas empresas, etc., pero la producción en general se ha incrementado, desde el primer producto comercializado en 1938. En general la venta de bioplaguicidas a nivel mundial se ha incrementado considerablemente. Así, se pasó de 20-25 millones de US$ en 1960 a una estimación de 120-130 millones de US$ para el 2000, siendo Bacillus thuringiensis el principal producto (Cherry y Williams, 2001).

La aceptación de este tipo de productos por los agricultores se ha debido al beneficio que el uso de estos ha representado desde el punto de vista económico y ambiental. Los beneficios del uso de este tipo de productos en la agricultura, y el incremento de su aplicación en los programas de manejo integrado de plagas, han sido reportados en diversos medios, tanto por países desarrollados, como en desarrollo (Cuba, Costa Rica, entre otros).

Cuba, en particular, presenta un reporte sobre los beneficios de su aplicación en cultivos de importancia económica en este país. Donde mencionan que en ese país, existe una política de manejo de plagas en la cual consideran los aspectos ecológicos, económicos y sociales. Precisamente el modelo de conversión cubano se ha caracterizado por una etapa de sustitución de insumos químicos por biológicos, en el marco de programas de manejo integrado de plagas (MIP), en los que de forma armónica se incrementa el uso de bioplaguicidas y entomófagos y se hace un uso racional de los plaguicidas sintéticos.

En estos programas la lucha fitogenética, las prácticas agronómicas, el manejo del hábitat y una fuerte capacitación de los productores, han permitido abrir cada día mayor espacio al manejo agroecológico. En la experiencia de este país se observa que el control biológico es la piedra angular de las medidas a implementar en sus programas de manejo.

En la literatura científica aparecen numerosos ejemplos de cómo con la implementación de las rotaciones, policultivos y el uso de la materia orgánica, los principales mecanismos de regulación natural que se ponen en juego son mecanismos de control biológico. Justamente han

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sido a las estrategias del control biológico a las que se le ha dado prioridad en el sistema de protección de plantas cubano. El mayor éxito se ha alcanzado en la cría masiva y liberación de enemigos naturales y en el desarrollo, producción masiva y aplicación de patógenos de insectos. Cuba se encuentra actualmente entre los países que son líderes en el mundo la producción de medios biológicos para el manejo de plagas y enfermedades.

Los métodos convencionales de mejoramiento de plantas han sido los cruzamientos y la selección complementados en ocasiones con técnicas citogenéticas y de mutagénesis artificial. Sin embargo, mediada la década de los ochenta se inició la aplicación de la ingeniería genética molecular en la Mejora mediante la utilización de plantas transgénicas, que se hicieron una realidad a escala comercial a partir de la mitad de la década de los noventa y hay quienes la definen como Agricultura transgénica (Pérez y Vázquez, 2005).

Como se mencionó anteriormente, han sido el avance en el conocimiento científico y el uso de herramientas tecnológicas como la ingeniería genética, que permitieron que algunas de las compañías dedicadas a la producción de bioinseticidas a base de Bt, crearan como un producto mas los cultivos transgénicos, a base de la integración de la información genética que codifica para la toxina en diferentes cultivos de importancia principalmente agrícola. Así en 1996, se comercializa la primera planta transgénica a base de Bacillus thuringiensis. Los cultivos transgénicos o cultivos genéticamente modificados (CGM), uno de los productos principales de la biotecnología agrícola, se están convirtiendo más y más en un elemento dominante de las áreas agrícolas de los Estados Unidos y de otros países.

James (2000), realizó un análisis sobre la aceptación

global de la comercialización de los cultivos modificados genéticamente, durante el periodo 1996-1999 (tres años desde el inicio de su comercialización), en doce países, ocho industrializados y cuatro en vías de desarrollo, encontró un aumento global a partir de 1996 al 1999 de mas de 20 veces, esto refleja las altas tasas de aceptación por parte de los agricultores considerando que los benéficos reflejados van desde un manejo mas conveniente y flexible de los cultivos, hasta una productividad mas alta, con un medio ambiente mas seguro, al reducir el uso de los plaguicidas convencionales, que en total contribuyen a una agricultura mas sustentable. Para 1999, eran siete los cultivos modificados genéticamente CMG, y en tres de los 12 países analizados (Portugal, Rumania, y Ucrania), los cultivaban por primera vez. En un análisis mas detallado de 1998 a 1999, en el caso de los países en desarrollo presentaron un crecimiento del 18%, con la mayor aportación hecha por Argentina, seguido de China, Sudáfrica y México. Cabe mencionar que en ese periodo, China presento un incremento de tres veces en su área global de CMG.

La soya y el maíz, se mantuvieron en primer y segundo lugar, respectivamente. En cuanto al tipo de cultivo (rasgo modificado), también continuaron en primer lugar los cultivos con tolerancia a herbicidas, seguidos por aquellos con resistencia a insectos (Bt). Según el último Informe Global del Servicio Internacional para las adquisiciones agrobiotecnológicas (ISAAA), en 2005, el área global de cultivos genéticamente mejorados ha sido de 90 millones de hectáreas, y representa un incremento del 11% comparado con el año 2004.

El número de países que han adoptado la biotecnología se ha triplicado durante los últimos nueve años (incrementó de seis que había en 1999 a nueve en 1998, y de doce países en 1999 a veintiuno en 2005). En

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2005, 21 países sembraron 50.000 hectáreas o más de cultivos genéticamente mejorados. La evolución de la biotecnología agrícola ha sido notoria tanto en los países industrializados como en vías de desarrollo. Entre los 21 países que han adoptado la tecnología en mayor escala, se encuentran Estados Unidos, Argentina, Brasil, Canadá, China, Paraguay, India, Sudáfrica, Uruguay, Australia, México, Rumania, Filipinas, España, Colombia, Irán, Honduras, Portugal, Alemania, Francia y República Checa (Informe Global ISAAA, 2005).

Los cultivos transgénicos dominantes para 1999, se incrementaron debido a la combinación de los rasgos modificados. Sin embargo, es evidente que los dos rasgos mencionados se han mantenido como dominantes, según los reportes de ISAAA. En cuanto al análisis económico, se han reportado un incremento promedio en los rendimientos de 7% en 19996 y del 9% en 1997, considerando que el rédito neto promedio por hectárea, ha estado dentro del orden de 133 a 175 Dls/ha, en el caso de algodón para EUA y de 145 a 182 para China (considerando el rédito se debe al incremento en rendimiento y por ahorro en el uso de insecticidas).

Los primeros intentos para obtener plantas transgénicas que expresan la a-endotoxina, involucraron la fusión de la endotoxina de Bt a un gen de resistencia a kanamicina para facilitar la selección de las plantas modificadas y fueron conducidos por una compañía biotecnológica Belga, Plant Genetic Systems, en 1987. Posteriormente investigadores de la compañía Monsanto expresaron un gen truncado de Bt en tomate usando un promotor CaMV 35S, otra compañía, Agracetus, siguió con la expresión con el mismo promotor pero ahora en tabaco. A partir de estos intentos iniciales, diferentes protocolos se han seguido para incrementar la expresión de la toxina

en cientos de veces, en plantas transgénicas. También se ha modificado la secuencia original de Bt, para lograr eficacia insecticida. Algunas compañías han licenciado sus invenciones sobre maíz Bt a otras compañías, para el desarrollo de diversos productos de Bt. (Acquaa, 2004.)

A diferencia de los rasgos introducidos por la primera generación de CMG, la segunda generación, presenta rasgos útiles mas directamente hacia el consumidor, rasgos que van principalmente a la nutrición y la salud, pero también algunos hacia la economía familiar, con productos que son menos perecederos (tomate de maduración lenta, con alto contenido de licopenos, etc.). Existe una amplia información sobre este tipo de productos y el papel que juegan como resultado de la biotecnología de alimentos (Barnum, 2005; Moses y Moses, 1995).

En el caso de los cultivos tolerantes a herbicida como soya, canola, algodón y maíz, los beneficios que brindan al agricultor son prioridad para el, de ahí que sean los más solicitados. Estos benéficos son: un sistema mas simple, conveniente y flexible para el control de las malas hierbas, facilitan el cultivo. La conservación y el mejoramiento de los suelos, controlar la erosión y conservar la humedad, una contribución importante en la sustentabilidad de la actividad agrícola.

La biotecnología tiene sus limitaciones como cualquier otra tecnología, y debe ser manejada responsablemente y utilizada conjuntamente con otras tecnologías. Ningún enfoque que dependa de una sola contribución tendrá éxito para generar la cantidad de alimento que será requerido para años futuros. Se estima que la población mundial para el año 2025 alcanzará a los 8000 millones, estabilizándose en 10,000 para fines del siglo XXI y que en los próximos 50 años, la humanidad

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consumirá el doble de los alimentos que ha consumido desde los inicios de la agricultura propiamente dicha hace 10 mil años.

Conclusiones

Es evidente la participación de Bacillus thuringiensis en la agricultura sustentable, sin embargo, también es evidente que el éxito de cualquier programa sobre el uso de los bioinsecticidas o de cualquier producto que este involucrado con la producción de alimentos sin afectar el medio ambiente, deberá contar con la participación de diversos sectores, como el privado, el gubernamental, los agricultores (productores), así como los organismos de investigación, y muy especialmente los consumidores, grupo al cual pertenecemos todos, incluyendo a todos los grupos mencionados, y hacia quienes deben ir dirigidos todos los esfuerzos para lograr un equilibrio entre las fuentes de recursos que el mundo nos brinda, los productos que generamos y consumimos, y los desechos que producimos y acumulamos. Finalmente, en el afán por desarrollar sistemas agrícolas sustentables y proteger el medio ambiente de la contaminación, no olvidemos que el mayor contaminante en el mundo de hoy es la pobreza, que afecta a más de doscientos millones de personas. La globalización ha traído a la humanidad beneficios, pero también consecuencias y responsabilidades, las cuales de forma similar deben manejarse de manera global e integrada, siempre enfocándose a un desarrollo sustentable para el beneficio de generaciones futuras.

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