Genetics and mechanisms of insecticide resistance in Ceratitis capitata and its implications for resistance management

Guillem Amat, Ana (2019). Genetics and mechanisms of insecticide resistance in Ceratitis capitata and its implications for resistance management. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57357.

Description

Title: Genetics and mechanisms of insecticide resistance in Ceratitis capitata and its implications for resistance management
Author/s:
  • Guillem Amat, Ana
Contributor/s:
  • Ortego Alonso, Félix
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Biotecnología - Biología Vegetal
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La mosca mediterránea de la fruta, Ceratitis capitata, es uno de los principales insectos plaga de los frutales. Las prácticas actuales de control en los campos de cítricos de la Comunitat Valenciana se basan principalmente en el uso de insecticidas (spinosad y lambda-cihalotrina mediante pulverización-cebo, y deltametrina en trampas de atracción y muerte) y la suelta de machos estériles. Sin embargo, la sostenibilidad de los programas de manejo está amenazada por la detección de resistencia a lambda-cihalotrina en poblaciones de campo y por la capacidad de esta especie para desarrollar resistencia a spinosad bajo presión de selección en laboratorio. El objetivo de este trabajo fue estudiar los mecanismos y la genética de la resistencia a spinosad y lambda-cihalotrina y su implicación en el monitoreo y manejo de la resistencia. La resistencia a spinosad ha sido asociada en la línea seleccionada de laboratorio JW-100s con diferentes alelos mutantes de la subunidad α6 del receptor nicotínico de acetilcolina (Ccα6), que da lugar a fenotipos de pérdida de función. Con la implementación del sistema GAL4>UAS en una línea resistente de Drosophila melanogaster, que carecía de la subunidad α6 endógena, demostramos que la expresión ectópica de isoformas silvestres de Ccα6 restablecen la susceptibilidad, mientras que la expresión del alelo truncado Ccα63aQ68* (que porta la mutación 3aQ68*) no lo hace. Estos resultados confirmaron que los transcritos truncados no producen una respuesta a spinosad. También generamos isolíneas de C. capitata homocigotas para los alelos: 1) Ccα63aQ68*Δ3b-4, que contiene la mutación 3aQ68* y una deleción de los exones 3b y 4; y 2) Ccα63aQ68*-K352*, que contiene las mutaciones 3aQ68* y K352*. Ambos estaban presentes en JW-100s y ninguno de ellos producía transcritos completos de Ccα6. Confirmamos que ambos alelos contribuyen de igual manera al fenotipo resistente. Sin embargo, su frecuencia descendía cuando se encontraban en competencia con individuos que portaban el alelo silvestre, sugiriendo la existencia de un coste biológico. Diferentes caracteres biológicos y comportamentales fueron analizados, identificándose una reducción en la habilidad de los machos Ccα63aQ68*Δ3b-4 para detectar la paraferomona trimedlure y para aparearse en experimentos de competencia con hembras que portan el alelo Ccα63aQ68*-K352*. La resistencia a lambda-cihalotrina en la línea seleccionada de laboratorio W-1Kλ ha sido previamente asociada con detoxificación metabólica mediada por sobreexpresión del gen CcCYP6A51. Sin embargo, nuestros resultados indicaron que otros caracteres debían también estar implicados. Así, mostramos que la expresión de varios P450, incluyendo CcCYP6A51, era altamente variable e inducida en algunos individuos en respuesta al tratamiento con lambda-cihalotrina, tanto en W-1Kλ como en la línea control C. Además, demostramos que el patrón de herencia es poligénico, dominante y autosómico. Un análisis de genotipado por secuenciación confirmó el carácter poligénico de la resistencia, identificándose siete regiones candidatas asociadas con el fenotipo resistente. Sin embargo, el análisis posterior mostró que tenían una contribución menor con un marcado efecto aditivo. Además, ninguna de las regiones candidatas se encontraba dentro ni cerca de los genes P450. Como resultado, no hemos encontrado un marcador de diagnóstico robusto para monitorizar la resistencia a lambda-cihalotrina en poblaciones de campo de C. capitata. La susceptibilidad a los insecticidas utilizados actualmente se monitorizó en poblaciones españolas de C. capitata durante el periodo 2015-2017. Hemos encontrado que el nivel de resistencia a lambda-cihalotrina (3-8 veces) es similar a la encontrada en años anteriores. La resistencia a deltametrina se detectó por primera vez en poblaciones de campo expuestas a trampas MagnetMEDTM, recubiertas con este insecticida. Todas las poblaciones analizadas permanecen susceptibles a spinosad, aunque se han detectados alelos de resistencia a baja frecuencia mediante el uso combinado de ensayos “F1-screen” y la búsqueda de mutaciones en el gen Ccα6. La evolución de resistencia a spinosad fue modelizada considerando la frecuencia de los alelos en el campo, tipo de herencia, coste biológico, nivel de exposición y el uso de otros insecticidas. Además, se realizó un estudio de simulación en laboratorio para evaluar diferentes escenarios de tratamiento con insecticidas con una línea de laboratorio multirresistente, generada mediante el cruce entre JW-100s y W-1Kλ. Los resultados indicaron que la rotación de insecticidas con diferentes mecanismos de acción y sin resistencia-cruzada es la mejor opción para el manejo de la resistencia. En conclusión, el control de C. capitata está comprometido por el desarrollo de resistencia a los insecticidas disponibles, siendo necesaria la implementación de estrategias de manejo de la resistencia. Es recomendable realizar rotaciones entre spinosad y lambda-cihalotrina, o utilizar spinosad en aquellos cultivos en los que se emplean trampas de atracción y muerte con deltametrina. Por el contrario, el uso simultáneo de lambda-cihalotrina y deltametrina está desaconsejado, ya que existe riesgo de resistencia cruzada entre ambos. Estas estrategias deben de ser armonizadas con otros métodos de control, tales como las prácticas culturales y la técnica del insecto estéril. ----------ABSTRACT---------- The Mediterranean fruit fly (medfly), Ceratitis capitata, is one of the main insect pests of fruits. Current control practices in citrus crops in the Comunitat Valenciana mainly rely on the use of insecticides (spinosad and lambda-cyhalothrin as bait sprays, and deltamethrin as lure and kill traps) and the release of sterile males. However, the sustainability of medfly management programs is threatened by the reports of resistance to lambda-cyhalothrin in field populations and the potential for spinosad resistance development, which has been obtained under laboratory selection. The aim of this work was to study the mechanisms and genetics of spinosad and lambda-cyhalothrin resistance and their implications for resistance monitoring and management. Spinosad resistance has been associated with different mutant alleles of the α6 subunit of the nicotinic acetylcholine receptor (Ccα6) that lead to loss-of-function phenotypes in the laboratory selected JW-100s strain. Using the GAL4>UAS system in a resistant Drosophila melanogaster strain, lacking the endogenous α6 subunit, we demonstrated that the ectopic expression of Ccα6 wild-type isoforms rescue susceptibility, while the expression of the truncated allele Ccα63aQ68* (carrying the mutation 3aQ68*) does not. These results confirmed that truncated transcripts do not produce a response to spinosad. We also generated C. capitata isolines homozygous for the alleles: 1) Ccα63aQ68*Δ3b-4, which contains the mutation 3aQ68* and a deletion of exons 3b and 4; and 2) Ccα63aQ68*-K352*, which contains the mutations 3aQ68* and K352*. Both were present in JW-100s and neither of them produced complete Ccα6 transcripts. We confirmed that both alleles contributed equally to the resistant phenotype. However, their frequency declined when in competition with individuals carrying the wild-type allele, suggesting a fitness cost associated with them. Through extensive testing of both biological and behavioral fitness traits, we identified a reduced ability of Ccα63aQ68*Δ3b-4 males to detect the parapheromone trimedlure and to mate with females carrying the Ccα63aQ68*-K352* allele in competition experiments. Lambda-cyhalothrin resistance in the laboratory selected W-1Kλ strain had previously been associated with P450-metabolic detoxification mediated by over-expression of the CcCYP6A51 gene. However, our results indicated that other traits must also be involved. Thus, we showed that the expression of several P450s, including CcCYP6A51, was highly variable and induced in some individuals in response to lambda-cyhalothrin treatments in both W-1Kλ and C strains. Besides, we proved that the inheritance pattern is polygenic, dominant and autosomic. A genotyping-by-sequencing analysis confirmed the polygenic character of resistance and identified seven candidate regions associated with the resistant phenotype. However, the subsequent analysis showed that they have a minor contribution with a marked cumulative effect. Moreover, none of the seven candidate regions were at or near P450 gene loci. As a result, we have not found a proper diagnostic marker to confidently monitor lambda-cyhalothrin resistance in field populations of C. capitata. The susceptibility to available insecticides was monitored in Spanish medfly field populations in the period 2015-2017. We have found that the level of resistance to lambda-cyhalothrin (3-8 fold) is similar to that reported in previous years. Resistance to deltamethrin has been detected for the first time in field populations exposed to MagnetMEDTM traps, which are coated with this insecticide. All populations analyzed are susceptible to spinosad, though resistant alleles have been detected at low frequency by the combined use of an F1-screen assay and the search of mutations in the Ccα6 gene. Modelling of spinosad resistance evolution was carried out considering the frequency of resistant alleles in the field, type of inheritance, fitness costs, level of exposition and the use of other insecticides. In addition, laboratory simulation studies were performed to evaluate different insecticide treatment scenarios in a multiresistant laboratory strain, generated by crossing JW-100s and W-1Kλ. The results indicated that the best option for resistance management is the rotation of insecticides with different modes of action and no cross-resistance. In conclusion, medfly control is compromised by the development of resistance to available insecticides. Hence, the implementation of resistance management strategies is required. It is advisable to perform rotations of spinosad and lambda-cyhalothrin, or to use spinosad in those orchards where lure-and-kill traps of deltamethrin are deployed. On the contrary, the simultaneous use of lambda-cyhalothrin and deltamethrin is discouraged, as there is a risk of cross-resistance between them. These strategies must be harmonized with other control methods, such as cultural practices and the sterile insect technique.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainAGL2013-42632-RUnspecifiedUnspecifiedEvolución de resistencia múltiple a insecticidas en ceratitis capitata y consecuencias para el control de esta plaga
Government of SpainAGL2016-76516-RUnspecifiedUnspecifiedHerramientas para la detección y el manejo proactivo de la resistencia múltiple en ceratitis capitata
Government of SpainBES-C-2014-068937UnspecifiedUnspecifiedContrato predoctoral para la formación de doctores
Government of SpainEEBB-I-16-11336UnspecifiedUnspecifiedAyuda para la movilidad

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Item ID: 57357
DC Identifier: http://oa.upm.es/57357/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57357
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57357
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 15 Jan 2020 07:37
Last Modified: 15 Jul 2020 22:30
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