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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.11.2011.tde-24052011-090014
Document
Author
Full name
Karina Cordeiro Albernaz
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2011
Supervisor
Committee
Omoto, Celso (President)
Cônsoli, Fernando Luis
Gomez, Daniel Ricardo Sosa
Sato, Mário Eidi
Zucchi, Maria Imaculada
Title in Portuguese
Suscetibilidade à proteína Cry1Ac e estrutura genética em populações de Heliothis virescens (Fabricius) (Lepidoptera: Noctuidae) no Brasil
Keywords in Portuguese
Algodão
Lagartas
Manejo integrado
Marcador molecular
Plantas transgência
Variação genética.
Abstract in Portuguese
Heliothis virescens (Fabricius) é uma das pragas-alvo do algodão geneticamente modificado que expressa a proteína Cry1Ac de Bacillus thuringiensis Berliner (Bt). Estudos sobre a suscetibilidade de H. virescens à proteína Cry1Ac e sobre a estrutura genética e padrões de fluxo gênico nas escalas locais e regionais desse inseto são fundamentais para a implementação de programas de Manejo da Resistência de Insetos (MRI) no Brasil. Dessa forma, os principais objetivos do trabalho foram: (a) avaliar a suscetibilidade à proteína Cry1Ac em populações de H. virescens coletadas nas principais regiões produtoras de algodão no Brasil (Bahia, Goiás, Mato Grosso e Mato Grosso do Sul) durante as safras agrícolas 2007/08 e 2008/09; e (b) avaliar a variabilidade genética e fluxo gênico de populações de H. virescens provenientes das culturas de algodão (safras 2007/08, 2008/09 e 2009/10) e de soja (safra 2009/10) utilizando sequências de DNA mitocondrial (DNAmit). As linhas-básica de suscetibilidade à proteína Cry1Ac foram estabelecidas mediante o uso de lagartas neonatas, por meio de bioensaios de incorporação das diferentes concentrações da proteína em dieta artificial. Para avaliar a variabilidade genética e o fluxo gênico entre populações de H. virescens utilizou-se sequências de DNAmit das subunidades I e II da citocromo oxidase COI e COII e a subunidade 6 da desidrogenase dinucleotídica da adenina nicotinamida nad6. As CLs50 estimadas variaram de 0,18 a 0,66 µg de Cry1Ac/mL de dieta para as populações coletadas na safra 2007/08 (variação de 3,7 vezes). Da mesma forma, as concentrações efetivas médias para a inibição do desenvolvimento larval (CE50) variaram de 0,0053 a 0,0161 µg de Cry1Ac/mL dieta (variação de 3,0 vezes). A partir da análise conjunta dos dados de concentração-mortalidade de todas as populações avaliadas, foram definidas e validadas as concentrações diagnósticas de 3,1 e 5,6 µg de Cry1Ac/mL de dieta para programas de monitoramento da resistência de H. virescens à proteína Cry1Ac no Brasil. Baseadas em análises de agrupamento (Neighbor-Joining e Análise de Componentes Principais) e Bayesiana (Structure) foram verificadas uma baixa estruturação entre as populações de H. virescens de diferentes regiões, bem como para aquelas coletadas em plantas hospedeiras diferentes. As análises de AMOVA também indicaram baixa estruturação genética entre as populações de H. virescens estudadas independente da cultura (Fst= 0,019) ou escala geográfica (Fst= 0,012), sugerindo um nível significativo de fluxo gênico. Em média, a distância genética entre as amostras foi de 0,1%. Uma rede de haplótipos obtida com os dados combinados resultou em 35 haplótipos, com quatro haplótipos únicos presentes somente nas amostras coletadas em soja. A principal característica dessa rede é a forma de estrela na distribuição dos haplótipos, bem como a ocorrência de muitos alelos em baixa frequência. Esse tipo de rede é característico de populações que passaram por uma recente expansão populacional e, de fato, a história demográfica de H. virescens, baseada no teste de distribuição da diferença genética par-a-par entre haplótipos (distribuição de Mismatch) e nos resultados negativos nos testes de neutralidade seletiva indicam também um episódio de expansão populacional recente. As informações obtidas no presente trabalho serão fundamentais para o acompanhamento da efetividade das estratégias de manejo da resistência de H. virescens à proteína Cry1Ac no Brasil.
Title in English
Susceptibility to Cry1Ac protein and genetic structure in populations of Heliothis virescens (Fabricius) (Lepidoptera: Noctuidae) in Brazil
Keywords in English
Caterpillar
Cotton
Genetic variation.
Integrated management
Molecular marker
Transgenic plants
Abstract in English
The tobacco budworm, Heliothis virescens (Fabricius), is one of target pests of genetically modified cotton expressing Cry1Ac insecticidal protein derived from Bacillus thuringiensis Berliner. Studies on susceptibility of H. virescens to Cry1Ac and the genetic structure and gene flow patterns at local and regional levels are crucial for establishing an Insect Resistance Management (IRM) program for Bt cotton in Brazil. Thus, the objectives of this study were (a) to evaluate the susceptibility of field-collected populations of H. virescens to Cry1Ac from major cotton-growing regions in Brazil (Bahia, Goiás, Mato Grosso and Mato Grosso do Sul) in the cropping seasons of 2007/08 and 2008/09; and (b) to evaluate the genetic variability and gene flow among H. virescens populations from cotton (2007/08, 2008/09 and 2009/10 cropping seasons) and soybean (2009/10 cropping season) with mitochondrial DNA markers. Baseline susceptibility data to Cry1Ac protein were estimated with neonate larvae thereby using diet incorporation bioassays. Genetic variation and gene flow among H. virescens populations were evaluated by using mitDNA sequences of cytochrome oxidase subunities I and II COI e COII and the subunity 6 of dinucleotide dehydrogenase of adenine nicotinamide nad6. The estimated LC50 values varied from 0.18 to 0.66 µg of Cry1Ac/mL of diet among the 2007/08 populations (3.7 fold variation). Similarly, the EC50 values based on growth inhibition ranged from 0.0053 to 0.0161 µg of Cry1Ac/mL of diet for the 2007/08 populations (3.0 fold variation). A joint analysis of the mortality data across all tested populations was used to develop candidate diagnostic concentrations for future monitoring programs. The proposed diagnostic concentrations of 3.1 and 5.6 µg of Cry1Ac/mL of diet were validated against field-collected populations from 2008/09 and will form the basis for future resistance monitoring programs with H. virescens. Based on cluster analysis (Neighbor-Joining and Principal Coordinate Analysis) and Bayesian analysis (Structure), a low structure was detected among H. virescens populations either by regions or host plants. AMOVA analysis also indicated low genetic structure among H. virescens populations across crops (Fst= 0.019) or geographic scale (Fst= 0.012), suggesting a significant gene flow. The mean genetic distance among samples was 0.1%. The haplotype network obtained with joint data resulted in 35 haplotypes, with four unique haplotypes present only in samples collected from soybean crop. The major characteristics of the haplotype network were the star-like pattern and the occurrence of many alleles at low frequencies. This type of network is typical for populations that passed through a recent population expansion and, in fact, the demographic history of H. virescens, based on distribution test of pair-wise genetic difference among haplotypes (Mismatch distribution) and negative results from tests of selective neutrality also indicate an episode of a recent population expansion.
 
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Publishing Date
2011-06-02
 
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