Designing novel interspecific baculovirus combinations for effective control of the soybean lepidopteran pest complex

La producción de soja se ve afectada significativamente por múltiples lepidópteros plaga que desarrollan rápidamente resistencia a productos químicos sintéticos, pesticidas bioracionales y cultivos transgénicos Bt. En este contexto, los baculovirus, particularmente los nucleopoliedrovirus (NPVs), ofrecen una alternativa efectiva, segura y sostenible para el control de plagas, algunas de las cuales se han utilizado con éxito como agentes de control biológico en la agricultura durante décadas. Sin embargo, su estrecho espectro de huéspedes limita su eficacia contra complejos de plagas en agroecosistemas como los cultivos de soja, donde los productores necesitan múltiples formulaciones basadas en baculovirus. La gran diversidad genética existente entre y dentro de los baculovirus ofrece una oportunidad para identificar variantes genotípicas de alto rendimiento. Esta tesis postuló que, al mezclar estratégicamente estos genotipos, se podrían controlar simultáneamente una amplia variedad de plagas de lepidópteros en la soja. La combinación de genotipos con fuertes propiedades insecticidas y diferentes especificidades de huéspedes podría simplificar la gestión de plagas, permitiendo a los agricultores controlar múltiples plagas con un solo producto y reduciendo la complejidad de las estrategias de gestión de plagas. Esta investigación comenzó con una revisión exhaustiva de las especies de lepidópteros plaga que causan pérdidas económicas en la soja, junto con los métodos de control actualmente utilizados contra ellas (Capítulo I). Se identificaron dos especies dentro de la familia Noctuidae como plagas clave en los cultivos de soja americanos: Anticarsia gemmatalis Hübner y Chrysodeixis includens Walker. Además, se consideraron varias otras noctuidas (específicamente, Rachiplusia nu Guenée, Helicoverpa armigera Hübner, Helicoverpa zea Boddie, Heliothis virescens Fabricius y varias especies dentro del género Spodoptera) como plagas secundarias. El trabajo experimental se inició con el análisis de las características insecticidas de cinco NPVs con amplio espectro de huéspedes (Capítulo II). Se seleccionó el aislado más patogénico, la cepa Anfa-C5B3 del NPV múltiple de Anagrapha falcifera (AnfaMNPV; Alphabaculovirus aucalifornicae), para una caracterización genotípica adicional. Se purificaron 30 genotipos mediante ensayo de placa y uno de ellos, Anfa-C, reveló propiedades insecticidas muy efectivas (en términos de patogenicidad, virulencia y producción de cuerpos de oclusión (OB)) contra una de las principales especies de lepidópteros plaga de la soja en América, C. includens, así como contra H. armigera, H. zea, S. exigua y T. ni. Estos hallazgos establecieron a Anfa-C como el primer candidato para una formulación compuesta basada en baculovirus. El siguiente análisis de cribado se centró en seleccionar un genotipo contra A. gemmatalis, una de las plagas clave en los cultivos de soja en América, que no era permisiva para Anfa-C (Capítulo III). Se caracterizaron tres aislados del NPV múltiple de Anticarsia gemmatalis (AgMNPV, Alphabaculovirus angemmatalis). AgABB51, el aislado más patogénico y diverso genotípicamente, contenía 18 variantes genotípicas distintas, una de las cuales, Ag-M, mostró una alta actividad insecticida contra A. gemmatalis. Ag-M se convirtió así en el segundo candidato viral para formulaciones de virus mixtos. Para abordar las plagas de Spodoptera en los cultivos de soja, se llevó a cabo un análisis de cribado de NPVs específicos de Spodoptera (Capítulo IV). Una variante purificada por placa, Sf-GA, derivada del aislado Sf-G1 del NPV múltiple de Spodoptera frugiperda (SfMNPV, Alphabaculovirus spofrugiperdae), mostró la mayor eficacia en el control de las tres especies de Spodoptera. Así, Sf-GA fue identificado como otro candidato para el desarrollo de formulaciones de virus mixtos con un amplio espectro de huéspedes. Con los tres virus candidatos, se evaluaron dos mezclas equimolares interespecíficas de OBs, Anfa-C:Ag-M y Anfa-C:Sf-GA, contra seis especies de de lepidópteros plaga de la soja (Capítulo V). La mezcla Anfa-C:Ag-M amplió eficazmente el espectro de huéspedes de los genotipos individuales a cinco plagas, incluyendo A. gemmatalis, lo que la convierte en un candidato adecuado para los cultivos de soja americanos. La mezcla Anfa-C:Sf-GA proporcionó un control efectivo de las especies de Spodoptera, ofreciendo al mismo tiempo un espectro más amplio de huéspedes para gestionar varias plagas en los cultivos de soja fuera del continente americano.

Soybean production is significantly impacted by multiple lepidopteran pests rapidly evolving resistance to synthetic chemicals, biorational pesticides, and transgenic Bt cultivars. In this context, baculoviruses, particularly nucleopolyhedroviruses (NPVs) offer an effective, safe and sustainable alternative for pest control, some of which have successfully been employed as biocontrol agents in agriculture for decades. However, their narrow host range limits their efficacy against pest complexes in agoecosystems like soybean crops, where growers need multiple baculovirus-based formulations. The great genetic diversity existing within and between baculoviruses offers an opportunity to identify high-performing genotypic variants. This thesis hypothesized that by strategically mixing these genotypes, a broad array of lepidopteran soybean pests could be targeted simultaneously. Combining genotypes with strong insecticidal properties and different host specificities, could simplify pest management, allowing farmers to control multiple pests with a single product and reducing the complexity of pest management strategies. This study began with a comprehensive review of the lepidopteran pest species that cause economic losses on soybean along with the control methods currently used against them (Chapter I). Two species within the Noctuidae family were identified as key pests in American soybean crops: Anticarsia gemmatalis Hübner and Chrysodeixis includens Walker. Additionally, several other noctuids (namely, Rachiplusia nu Guenée, Helicoverpa armígera Hübner, Helicoverpa zea Boddie, Heliothis virescens Fabricius, and several specieswithin the genus Spodoptera) were considered as secondary pests. The experimental work was initiated with the analysis of the insecticidal characteristics of five broad host range NPVs (Chapter II). The most pathogenic isolate, Anagrapha falcifera multiple NPV (AnfaMNPV; Alphabaculovirus aucalifornicae) strain Anfa-C5B3, was selected for further genotypic characterization. Thirty genotypes were plaque-purified and one of them, Anfa-C revealed highly insecticidal properties (in terms of pathogenicity, virulence and OB production) against one of the key lepidopteran soybean pests in the Americas, C. includens, as well as against H. armigera, H. zea, S. exigua, and T. ni. These findings established Anfa-C as a first candidate for a composite baculovirus-based formulation. The next screening analysis focused on selecting a genotype against A. gemmatalis, one of the key pests in soybean crops in America, which was nonpermisive to Anfa-C (Chapter III). Three Anticarsia gemmatalis multiple NPV (AgMNPV, Alphabaculovirus angemmatalis) isolates were characterized. AgABB51, the most pathogenic and genotypically diverse isolate, contained 18 different genotypic variants, one of which, Ag-M, demonstrated high insecticidal activity against A. gemmatalis. Ag-M thus became the second virus candidate for mixed virus formulations. To address Spodoptera pests in soybean crops, a screening of specific Spodoptera NPVs was conducted (Chapter IV). A plaque-purified variant, Sf-GA, derived from the Spodoptera frugiperda multiple NPV (SfMNPV, Alphabaculovirus spofrugiperdae) isolate, Sf-G1, demonstrated the highest efficiency in controlling the three Spodoptera species. Sf-GA was thus identified as another candidate for developing broad-spectrum mixed virus formulations. With the three virus candidates, two interspecific equimolar OB mixtures, Anfa-C:Ag-M and Anfa-C:Sf-GA, were evaluated against six soybean lepidopteran pest species (Chapter V). The Anfa-C:Ag-M mix effectively expanded the host range of the individual genotypes to five pests, including A. gemmatalis, making it a suitable candidate for American soybean crops. The Anfa-C:Sf-GA mixture provided effective control of Spodoptera species while offering a broader host range for managing multiple pests in soybean crops outside the American continent. In conclusion, this thesis demonstrates that combining baculovirus genotypic variants with different host specificities can enhance pest control efficacy, offering a promising solution for managing complex pest scenarios. Additionally, the study highlights several important considerations, including the potential of baculoviruses as versatile biocontrol agents, the importance of exploring their application in broader agricultural contexts or the potential of early application and synergistic agents in overcoming the slow-killing nature of these viruses. The findings of this thesis contribute to the ongoing efforts in developing more effective and sustainable pest management strategies.