Influência do cultivo de milho transgênico em organismos não-alvo (Coleoptera : scarabaeinae) e da ingestão indireta através da cadeia trófica

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Florianópolis, 2016.O uso de plantas transgênicas ou plantas geneticamente modificadas (GM) que expressam genes com atividade inseticida representam uma alternativa para controlar insetos pragas. As plantas transgênicas resistentes a insetos expressam genes derivados a partir da bactéria Bacillus thuringiensis (Bt). Durante a esporulação essa bactéria produz proteínas cristais. A atividade entomopatogênica desse microrganismo deve-se à presença de um núcleo inseticida dessa proteína em forma de cristal. Após a ingestão por insetos suscetíveis, esses cristais são dissolvidos no intestino médio do inseto em pH levemente ácido (no caso de coleópteros) ou alcalino (lepidópteros e dípteros) e o núcleo ativado. Após a liberação do núcleo ativo da proteína este se liga a receptores específicos do epitélio, promovendo a ruptura osmótica das células epiteliais do tubo digestivo, determinando a morte dos insetos. Quando as plantas transgênicas foram desenvolvidas, os cientistas afirmavam que as toxinas fossem altamente específicas e não afetavam organismos não-alvo, no entanto, atualmente, há ainda incertezas sobre o modo de ação de toxinas Bt. No estado de Santa Catarina, no sul do Brasil, 50.000 hectares estão ocupados por cultivos de milho, o principal produto agrícola do estado, com cerca de 90% destes cultivos plantados com variedades transgênicas, seguindo um tipo característico de manejo, já que o fabricante da tecnologia coloca à disposição do agricultor um pacote tecnológico , com produtos e práticas que orientam este tipo de cultura. Efeitos negativos de cultivos transgênicos na fauna associada ao longo da cadeia trófica são pouco conhecidos e o uso de insetos indicadores pode servir como uma ferramenta para avaliar os efeitos em cascata dos transgênicos sobre a vida silvestre. Os escarabeíneos (Coleoptera: Scarabaeinae), um táxon com reconhecida importância para a manutenção dos processos ecológicos por participar da decomposição da matéria orgânica, vêm sendo utilizados com sucesso como indicadores ecológicos. Assim, a pesquisa teve como principal objetivo avaliar se existe influência dos transgênicos, através da cadeia trófica, na diversidade, no comportamento e na fisiologia dos escarabeíneos. A tese está dividida em quatro capítulos, dois capítulos realizados na região de Campos Novos, sul do Brasil, e dois em laboratório. O primeiro capítulo relata os possíveis impactos dos cultivos de milho sobre as comunidades de escarabeíneos em fragmentos florestais de Mata Atlântica rodeados por plantações de milho transgênico ou convencional, avaliando o tipo de milho, técnicas de manejo, características vegetacionais, presença de mamíferos e distância espacial. Em 40 fragmentos de Mata Atlântica, sendo 20 circundados por milho convencional e 20 por milho transgênico, através de um protocolo de coleta com 10 armadilhas por fragmento, iscadas com fezes e carne, foi coletado um total de 3454 indivíduos de 44 espécies: 2312 indivíduos de 42 espécies em meio a milho convencional e 1142 indivíduos de 38 espécies em meio a milho transgênico. Diferenças nas comunidades de escarabeíneos foram encontradas e como esperado para áreas fragmentadas, uma maior riqueza de espécies foi observada em fragmentos maiores. A estruturação da comunidade de escarabaeíneos foi explicada pelas características da vegetação, pelo tamanho do fragmento, pela distância espacial e também pelo tipo de cultivo associado a suas técnicas de manejo. Assim, no sul do Brasil, o uso de milho transgênico pode estar acelerando a perda de diversidade e consequentemente os serviços ecossistêmicos providos pelos escarabeíneos podem estar sendo perdidos. O segundo capítulo teve como objetivo avaliar se existe preferência alimentar pela fauna nativa entre milho convencional ou milho transgênico, revelando se os animais conseguem diferenciá-los. Para tanto foram utilizadas armadilhas fotográficas em dez fragmentos florestais de Mata Atlântica, onde foram oferecidas quatro espigas de milho, duas convencionais e duas transgênicas. Dez mamíferos nativos e sete aves foram fotografadas consumindo milho e não houve preferência de consumo por milho convencional ou transgênico. Nesse cenário, se a alimentação transgênica apresentar algum efeito tardio nos animais que se alimentam desse tipo de milho, animais nativos também irão sofrer tais efeitos já que não conseguem diferenciá-lo. Além disso, se o transgênico passa através das fezes destes animais ao longo da cadeia trófica, a fauna coprófaga poderá sofrer tais efeitos. O terceiro capítulo teve como objetivo testar se a alimentação indireta com milho transgênico pode causar perda de fitness nos besouros escarabeíneos. Para tanto, escarabeíneos foram alimentados em laboratório com fezes de porco seguindo dois tratamentos: um grupo foi alimentado com fezes de cinco porcos que tinham consumido milho transgênico e outro grupo com fezes de cinco porcos que tinham consumido milho convencional. Em um experimento de olfatometria, os indivíduos de Canthon rutilans que foram alimentados com transgênico levaram mais tempo para chegar ao recurso; em um experimento de incorporação de matéria orgânica no solo, a quantidade de fezes enterrada pelos indivíduos de Coprophanaeus saphirinus foi maior para aqueles que se alimentaram com convencional; a incorporação de matéria orgânica por casais de C. rutilans, assim como o sucesso reprodutivo, foi similar nos dois tratamentos, embora os que se alimentaram com transgênico produziram mais bolas ninhos. Podemos supor que estas diferenças encontradas no fitness dos escarabeíneos podem afetar as funções destes nos ambientes naturais, deixando-os menos eficientes na remoção e enterrio das massas fecais. O último capítulo teve como objetivo determinar se a alimentação indireta com milho transgênico pode ter efeito na ecofisiologia dos escarabeíneos, impossibilitando a detecção dos estímulos presentes no ambiente, para isso, avaliamos a resposta antenal, as taxas respiratórias e a atividade da fenoloxidase (PO) de escarabeíneos submetidos aos dois tratamentos alimentares descritos no capítulo três, à base de milho convencional e transgênico. No experimento de eletroantenografia, nenhuma diferença foi detectada nas respostas antenais dos escarabeíneos, entretanto nos experimentos de respirometria e atividade de fenoloxidase foram detectadas evidências de aumento da atividade do sistema imune: aumento da emissão de CO2 durante a respiração e aumento da atividade de fenoloxidase nos besouros que consumiram uma dieta com transgênico, o que pode ser entendido como uma forma de manter o equilíbrio do sistema imunológico em um ambiente prejudicial, sendo possível que o transgênico esteja atuando como um estressor ambiental para organismos não-alvo (escarabeíneos). A maioria dos estudos publicados sobre os efeitos dos transgênicos em organismos não-alvo não mostrou diferenças com base na mortalidade, no entanto, efeitos mais sutis, tais como mudanças comportamentais ou fisiológicas, não foram estudados em besouros, mas a sua importância é evidente. Assim, os efeitos nãoletais demonstrados pelo uso do transgênico nesta pesquisa podem gerar nos besouros escarabeíneos uma menor capacidade competitiva pelos recursos efêmeros e uma maior predação, o que resultaria na diminuição das populações dos mesmos e consequentemente explicaria a perda de diversidade observada nas comunidades em fragmentos de mata nativa, o que pode implicar em prejuízos nos serviços ecossistêmicos providos por estes insetos.Abstract : The use of transgenic plants or genetically modified (GM) plants expressing genes with insecticidal activity represents an alternative to control insect pests. Transgenic plants resistant to insects expressing genes derived from the bacterium Bacillus thuringiensis (Bt). During sporulation this bacteria produces crystal proteins. The entomopathogenic activity of the microorganism is due to the presence of an insecticide core of this crystal protein. After ingestion by susceptible insects, these crystals are dissolved in the medium of the insect gut in slightly acidic pH (in the case of Coleoptera) or alkaline (Lepidoptera and Diptera) and the core is activated. Upon release of the active core of this protein, it binds to specific receptors in the epithelia, promoting the osmotic disruption of epithelial cells of the gut, causing the death of the insects. When transgenic plants have been developed, scientists believed that the toxins were highly specific and did not affect non-target organisms, however, currently, are still uncertainties in the mode of action of Bt toxins. In the state of Santa Catarina, in southern Brazil, 50,000 hectares are occupied by maize crops, the state's main agricultural product, about 90% of these crops are planted with transgenic varieties, following a characteristic type of management, the manufacturer of technology offers to the farmer a technological package with products and practices that guide this type of culture. Negative effects of GM crops on wildlife associated along the food chain are not well known and the use of insect s indicators can serve as a tool to assess the cascade effects of GM crops on wildlife. The dung beetles (Coleoptera: Scarabaeinae), a taxon of recognized importance to the maintenance of ecological processes to participate in the decomposition of organic matter, has been successfully used as ecological indicators. Thus, the research aimed to assess whether there is influence of GMOs, through the food chain in diversity, behavior and physiology of dung beetles. The thesis was divided into four chapters, two chapters made in the region of Campos Novos, southern Brazil, and two in the laboratory. The first chapter reports the potential impact of maize crops on dung beetles communities in forest fragments of Atlantic Forest surrounded by transgenic or conventional maize plantations, assessing the type of maize, management techniques, vegetation characteristics, presence of mammals and spatial distance. In 40 fragments of Atlantic Forest, 20 surrounded by conventional maize and 20 surrounded by transgenic maize, through a collection protocol with 10 traps per fragment, baited with feces and meat, a total of 3454 individuals of 44 species were collected: 2312 individuals of 42 species among conventional maize and 1142 individuals of 38 species in the midst of transgenic maize. Differences in dung beetles communities were found and as expected for fragmented areas, greater species richness was found in larger fragments. The structure of Scarabaeinae community was explained by the characteristics of the vegetation, the fragment size, the spatial distance and the type of farming associated with their management techniques. Thus, in southern Brazil, the use of transgenic maize may be accelerating the loss of diversity and therefore the ecosystem services provided by dung beetles may have been lost. The second chapter aimed to assess whether there is food preference in native fauna between conventional maize or transgenic maize, revealing if the animals can differentiate them. For this, camera traps were used in ten forest fragments of Atlantic Forest, where they were offered four cobs of maize, two conventional and two transgenic. Ten native mammals and seven birds were photographed consuming maize and no preference of consumption by conventional or transgenic maize was detected. In this scenario, if the GM food present a delayed effect on animals that feed this type of maize, native animals will also suffer such effects, as it cannot differentiate them. Moreover, if the GM passes through the feces of these animals along the food chain, the coprophagous animals can suffer such effects. The third chapter aimed to test if the indirect feeding of transgenic maize can cause loss of fitness in dung beetles. To this end, dung beetles were fed in a laboratory with pig feces following two treatments: one group was fed with feces of five pigs who had consumed transgenic maize and another group with feces of five pigs who had consumed conventional maize. In an olfactometry experiment, the Canthon rutilans individuals who were fed GM took longer time to get in the resource (feces); in an experiment of incorporation of organic matter in the soil, the amount of feces buried by individuals of Coprophanaeus saphirinus was higher in those who were fed feces with conventional maize; the incorporation of organic matter by C. rutilans couples was similar in both treatments, as well as the reproductive success, while those fed with GM produced more balls nests. We can assume that these differences in the "fitness" of dung beetles can affect the functions of these in natural environments, making them less efficient in the removal and burial of fecal masses. The last chapter was for determine whether the indirect feeding with transgenic maize may have effect on the ecophysiology of dung beetles, making them unable to detect the stimuli present in the environment for that, we evaluated the antennal response, respiratory rate and the activity of phenoloxidase (PO) of dung beetles submitted to two feeding treatments described in chapter three, with conventional and transgenic maize. In electroantennography experiment, no difference was detected in the antennal responses of dung beetles, but in the experiments of respirometry and phenoloxidase activity were detected evidence of increased activity of the immune system: increase in emissions of CO2 during respiration and increased of phenoloxidase activity in dung beetles that consumed a diet with transgenic, which can be understood as a way of maintaining the balance of the immune system in an adverse environment, it is possible that transgenic is acting as an environmental stressor to non-target organisms (Scarabaeinae). Most published studies on effects of GM on non-target organisms showed no differences based on mortality, however, more subtle effects such as behavioral or physiological changes have not been studied in dung beetles, but its importance is evident. Thus, non-lethal effects demonstrated by the use of GM in this research can lead to the dung beetles less competitive by ephemeral resources and increase predation, resulting in decreased of populations and thus explain the loss of diversity observed in dung beetles communities in native forest fragments, which can result in losses in ecosystem services provided by these insects