Emissão de compostos voláteis em soja geneticamente modificada resistente ao glifosato e seu efeito nas interações inseto-planta

Orientador : Prof. Dr. Paulo H. Gorgatti ZarbinCoorientadora : Profª Drª Delia Pinto ZevallosTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas (Entomologia). Defesa: Curitiba, 19/06/2015Inclui referências ao final de cada capítuloÁrea de concentração : EntomologiaResumo: Após a herbivoria, plantas ativam vias bioquímicas que resultam em uma série de respostas de defesa, incluindo a emissão de uma diferente mistura de compostos orgânicos voláteis (COVs), aumentando o recrutamento de predadores e parasitoides que controlam o herbívoro que está atacando a planta. A manipulação genética de uma determinada característica que melhore as variedades de plantas agrícolas pode afetar outras características, como um resultado de possíveis efeitos pleiotrópicos de inserção, mutações que por sua vez podem afetar a interação da planta com outros organismos. Sabe-se que ocorrem mudanças nas emissões de COVs induzidos por herbívoros em plantas transgênicas que expressam tolerância a insetos (principalmente plantas Bt), não só como resultado do comportamento modificado dos insetos, mas também como resultado da alteração da alocação de recursos na planta. Plantas transgênicas tolerantes ao glifosato expressam uma variante da enzima EPSPS (5-enol-piruvil chiquimato-3- fosfato sintase) que é insensível ao herbicida glifosato. Esta enzima é essencial em vias metabólicas que resultam na síntese de aminoácidos e de metabólitos secundários envolvidos na defesa da planta. Neste trabalho foi investigado se as emissões constitutivas de uma linha de soja transgênica e COVs induzidos pela herbivoria de Anticarsia gemmatalis (Lepidoptera: Erebidae) e Chrysodeixis includens (Lepidoptera: Noctuidae) diferem das emitidas pela cultivar isogênica (não modificada) e se as alterações podem interferir no comportamento de forrageamento do percevejo predador Podisus nigrispinus (Hemiptera: Pentatomidae) e do parasitoide gregário Meteorus rubens (Hymenoptera: Braconidae), respectivamente. Além disso, foram realizados testes para verificar o ganho de peso em lagartas alimentadas com folhas de soja transgênica ou isogênica e preferência de oviposição de fêmeas acasaladas. Também foi avaliado se os voláteis emitidos após a oviposição de Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae) são diferentes em plantas transgênicas e isogênicas e o efeito no comportamento do parasitoide de ovos Trichogramma pretiosum (Hymenoptera: Trichogrammatidae). Houve um ganho de peso significativamente maior em lagartas de A. gemmatalis alimentadas com folhas de soja transgênica e fêmeas desta espécie preferiram ovipositar em plantas de soja transgênica. Não foi observada diferença no peso final de lagartas da espécie C. includens alimentadas com folhas de soja transgênica ou isogênica. As análises de GC-MS mostraram diferenças nas emissões de COVs induzidos por herbivoria e que há influência dos genótipos. O efeito do genótipo em vários compostos individuais parece dever-se principalmente ao efeito sobre as 9 emissões induzidas por herbívoros. Emissões maiores foram medidas na linha transgênica do que na isogênica após a herbivoria de ambas espécies. Ninfas de P. nigrispinus preferiram os odores de plantas isogênicas danificadas em relação a plantas controle, entretanto, não discriminaram odores de plantas danificadas e controle transgênicas. Além disso, não foi observada preferência de ninfas por odores de plantas danificadas de qualquer uma das linhas em relação à outra. Fêmeas acasaladas da espécie M. rubens foram capazes de discriminar entre os odores de plantas danificadas ou não pela herbivoria de C. includens, mas preferiram os odores emitidos por plantas transgênicas danificadas pela herbivoria em comparação com a isogênica também danificada. Com relação aos voláteis induzidos pela oviposição de S. frugiperda, não foram detectadas mudanças no perfil de voláteis de soja transgênica ou isogênica e estes voláteis não atraíram fêmeas do parasitoide T. pretiosum. Foi observado que estes parasitoides foram atraídos pelo composto majoritário do feromônio sexual sintético de S. frugiperda, comprovando que, de fato, a localização do hospedeiro, neste caso, se dá através de infoquímicos liberados pela fase adulta do hospedeiro e não por voláteis de plantas induzidos por oviposição. Com base nos resultados deste estudo conclui-se que, apesar de uma maior emissão de voláteis por plantas transgênicas, a nova mistura emitida não permitiu que os predadores discriminassem entre plantas transgênicas e isogênicas danificadas, entretanto, parasitoides foram capazes de discriminar entre as duas cultivares. Isso pode ter ocorrido devido a características comportamentais particulares destes diferentes inimigos naturais ou pela não atratividade da mistura dos voláteis emitidos por soja transgênica. É importante lembrar que estes resultados podem variar de acordo com os sistemas estudados e, portanto, este trabalho abre possibilidades para novos estudos de ecologia química em sistemas tritróficos para avaliar o efeito das plantas transgênicas tolerantes ao glifosato.Abstract: Following herbivory, plants activate biochemical pathways that result in a series of defense responses, including the emission of a different mixture of organic volatile compounds (VOCs), which increases the recruitment of predators and parasites that control the herbivore attacking the plant. The genetic manipulation of a specific characteristic that enhances the varieties of agricultural plants may affect other characteristics as a result of possible pleiotropic effects by insertions mutations which may effect the interaction of the plant with other organisms. Changes occur in VOC emissions induced by herbivores on transgenic plants that express tolerance to insects (principally Bt plants), not just as a result of the modified insect behavior, but also as a result of change in resource allocation in the plant. Glyphosate tolerant transgenic plants express a variant of the EPSPS enzyme (5-enol-pyruvyl shikimate-3-phosphate synthase) that is insensitive to the herbicide glyphosate. This enzyme is essential in the metabolic pathways, which result in synthesis of amino acids and secondary metabolites involved in plant defense. This study investigated whether constituent emissions and VOCs induced by herbivory from Anticarsia gemmatalis (Lepidoptera: Erebidae) and Chrysodeixis includens (Lepidoptera: Noctuidae) in a line of transgenic soybean differed from those emitted by an isogenic cultivar (not modified) and if these changes may interfere in the foraging behavior of the predator insects Podisus nigrispinus (Hemiptera: Pentatomidae) and the gregarious parasitoid Meteorus rubens (Hymenoptera: Braconidae), respectively. Additionally, tests were conducted to verify the weight gain of caterpillars fed with either transgenic or isogenic soybean leaves, as well as oviposition preference of mated females. This study also evaluated if the volatile emissions of Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae) after oviposition are different in transgenic and isogenic plants, and the effect on the behavior of the egg parasitoid Trichogramma pretiosum (Hymenoptera: Trichogrammatidae). There was a significantly greater weight gain in A. gemmatalis caterpillars fed on transgenic soybean leaves and females of this species preferred to oviposit on transgenic soybean plants. There was no difference in the final weight of caterpillars from the species C. includens fed on transgenic or isogenic soybean leaves. The GC-MS analyzes showed differences in VOC emissions induced by herbivores and that there is influence from genotypes. The effect of genotypes on various individual compounds seems to be due mainly to the effect on emissions induced by herbivores. 11 Higher emissions were measured in the transgenic line than the isogenic line after hebivory of both species. Nymphs of P. nigrispinus preferred the odors from damaged isogenic plants in relation to control plants, however, they did not discriminate between odors from damaged plants and transgenic control. Furthermore, there was no preference by nymphs for damaged plant odors from either line relative to the other. Mated females of the species M. rubens were capable of discriminating between odors from damaged plants or non-damaged plants by C. includens herbivory, but prefered odors emitted by herbivory damaged transgenic plants in comparison to also damaged isogenic plants. In relation to the volatile compounds induced by S. frugiperda oviposition, no changes were detected in the volatile compound profile of transgenic or isogenic soybean and these volatile compounds did not attract females from the parasitoid T. pretiosum. It was observed that these parasitoids were attracted by the major compound from the sex pheromone of S. frugiperda, proving that, in fact the location of the host, in this case, is through infochemicals released by the host's adult phase and not by volatile plant compounds induced through oviposition. According to the results we conclude that, even with a greater emission of volatile compounds by transgenic plants, the new mixture emitted did not allow predators to discriminate between damaged transgenic or isogenic plants, however, parasitoids were capable of discriminating between the two cultivars. This may be due to specific behavioral characteristics from these different natural enemies or by the non-attractive mixture of volatile compounds emitted by transgenic soybean. Importantly, these results may vary according to the studied systems, and thus, this study opens up possibilities for new studies in chemical ecology of tritrophic systems to evaluate the effect of transgenic plants resistant to glyphosate