Vector mediated transmission of Candidatus Liberibacter solanacearum and epidemiological consequences

Resumen

Candidatus Liberibacter solanacearum (Lso) es una bacteria fitopatógena restringida al floema que causa grandes pérdidas económicas en diferentes cultivos a nivel mundial. Esta bacteria es transmitida de manera circulativa propagativa por diferentes especies de Psílidos (Hemiptera : Psylloidea). En Europa, Lso causa importantes pérdidas en cultivos de Apiáceass y también representa una potencial amenaza para la industria de la patata. El objetivo principal de este trabajo ha sido estudiar la transmisión de Lso mediada por psílidos y sus consecuencias epidemiológicas. El primer objetivo fue estudiar el comportamiento alimenticio de B. trigonica el principal vector de Lso en el Mediterráneo y evaluar el efecto de Lso sobre dicho comportamiento. Para esto se caracterizaron las ondas de gráficos de penetración eléctrica (EPG) producidas por este insecto en plantas de zanahoria. Una vez caracterizadas, las ondas descritas fueron correlacionadas con la posición de la vaina salivar producida por el insecto durante cada onda y con la inoculación de Lso. Se identificaron 7 ondas (C1, C2, Pseudo-pd, G, D, E1 y E2) y se encontraron las siguientes correlaciones directas con la posición de las vainas salivares en diferentes tejidos: ondas C1, C2 y pseudo-pd en mesófilo, onda G en xilema, ondas D, E1 y E2 en floema. Se identificó y describió una onda no descrita previamente en psílidos “pseudo-potential drop” y se discutió su significado biológico. Este trabajo también demuestra que periodos cortos de E1 están relacionados con altos porcentajes de inoculación de Lso. Finalmente, se observó que aunque Lso afecta de manera directa el comportamiento alimenticio de B. trigonica los cambios producidos no afectan a los parámetros relacionados con su transmisión. Tambien se estudió cómo el sexo del vector afecta el comportamiento alimenticio y cómo esto afecta la transmisión de Lso. Por medio de la técnica de EPG, se monitorizó el comportamiento alimenticio de machos y hembras de B. trigonica en plantas de zanahoria y posteriormente se correlacionó con la transmisión de Lso. Para determinar la transmisión de machos y hembras se realizaron ensayos con un psílido por planta y ocho psílidos por planta. Por último se cuantifico la cantidad de Lso transmitida y los síntomas producidos cuando Lso fue transmitido por machos o por hembras. Este trabajo demostró diferencias en el comportamiento alimenticio de los diferentes sexos se correlacionan con diferencias en la cantidad de Lso transmitida. Las hembras probaron e ingirieron más savia del floema que los machos lo cual se correlaciono con mayores cantidades de Lso inoculadas por hembras. A pesar de las diferencias en la cantidad de Lso inoculada por machos o hembras, la tasa de transmisión de Lso no se vio afectada por el sexo del vector y tanto machos como hembras transmitieron eficientemente la bacteria. Nuestro estudio también demostró que cuando Lso es transmitido por grupos de hembras los síntomas producidos en planta fueron más severos que los causados por Lso cuando es transmitida por grupos de machos. Estos resultados sugieren una alta propensión vectorial de B. trigonica y demuestran que el sexo del vector puede afectar la transmisión de Lso. Debido a que B. trigonica y B. tremblayi se encuentran ampliamente distribuidos en España y causan perdidas económicas importantes se evaluó la transmisión de Lso por B. trigonica y B. tremblayi en cultivos de apio, zanahoria y patata en ensayos con y sin elección, así como su preferencia por los diferentes cultivos. Además, se monitorizó el comportamiento alimenticio de ambas especies en los diferentes cultivos mediante la técnica de gráficos de penetración eléctrica (EPG). Bactericera trigonica fue incapaz de colonizar plantas de patata y tampoco pudo transmitir Lso a este cultivo. Además B. trigonica mostró una clara preferencia a aterrizar, ovipositar y alimentarse en plantas de zanahoria y apio lo cual se correlaciono con una alta tasa de transmisión en ambas especies de plantas. Por otro lado, a pesar que B. tremblayi fue capaz de adquirir Lso de zanahorias infectadas fue incapaz de transmitirlo a plantas de zanahoria sanas. Los resultados demuestran que B. trigonica es un vector eficaz de Lso en zanahoria y apio pero no representa un riesgo importante para la industria de la patata, a la vez que no hay evidencia suficiente para considerar a B. tremblayi como vector de Lso. Por último, la densidad poblacional de las especies de psílidos asociadas a cultivos comerciales de patata y zanahoria fue estimada en 2015 y 2016 utilizando diferentes tipos de muestreo, (muestreo con manga entomológica, trampas de agua e inspección visual). Se colectaron psílidos en tres de las zonas más importantes de España en cuanto a producción de zanahoria, Gomezserracín (Segovia), Íscar (Valladolid) y Villena (Alicante). Además se muestrearon psílidos en cultivos de patata en las zonas de Gomezserracín (Segovia) y Aldearrubia (Salamanca). Los muestreos mostraron que B. trigonica fue el psílido más abundante en todos los cultivos de zanahoria seguido por B. nigricornis, especie que se encontró en bajos números poblacionales. Por otro lado, B. nigricornis fue la única especie asociada a todos los campos de patata en 2015 y 2016. Siendo a su vez la especie más abundante en patata y la única que tiene la capacidad de completar su ciclo de vida en este cultivo. Estos datos sugieren que B. trigonica es capaz de colonizar zanahoria pero no patata y que B. nigricornis puede colonizar tanto zanahoria como patata. Esta Tesis genero nueva información del comportamiento alimenticio, la capacidad de transmisión y la dinámica poblacional de psílidos en cultivos de Apiaceas y de patata. Esta información es fundamental para desarrollar estrategias de control a largo plazo. ABSTRACT Candidatus Liberibacter solanacerum (Lso) is an emerging pathogenic plant bacterium causing major economic losses in vegetable crops worldwide. Lso is transmitted in a circulative-propagative manner by different psyllid species (Hemiptera : Psylloidea). In Europe Lso causes economically important losses in carrot (Daucus carota L.) and celery (Apium graveolens L.) crops and has become a potential threat to the potato (Solanum tuberosum L.) industry. This Thesis focuses on studying the vector transmission of Lso by psyllids and its epidemiological implications. The first objective of this Thesis was to study the feeding behavior of the main Lso vector Bactericera trigonica Hodkinson in the Mediterranean region, by characterizing its feeding behavior on carrot seedlings by means of the Electrical Penetration Graph (EPG) technique. Waveforms identified were correlated with stylet tracks and salivary sheath termini on plant tissues as well as with Lso inoculation. Also, the effect of Lso in the feeding behaviour of B. trigonica was tested by EPGs. Seven different waveforms (C1, C2, pseudo-potential drop, G, D, E1 and E2) were identified and correlated with salivary sheath termini in mesophyll (C1, C2 and Pseudo-potential drop), xylem (G) and phloem tissues (D, E1 and E2). “Pseudo-potential drop” is a novel waveform pattern never previously described for psyllids. Here, the first and full description of this waveform is provided and its biological meaning discussed. This study showed that B. trigonica is a highly efficient vector of Lso and that there is a direct correlation between waveform E1 and the inoculation of Lso. Additionally, I found that Lso directly affects the feeding behaviour of B. trigonica, but has no influence in its own transmission (the pathogen does not enhance or impair transmission). The second objective of this study focused on how vector sex affected the feeding behaviour and consequently the transmission of Lso. By using EPGs the feeding behaviour of males and females of B. trigonica on carrots was monitored and correlated with Lso transmission rate by single or groups of males and females of B. trigonica. In addition, the titre of Lso transmitted by males or females as well as the symptoms expression produced by Lso on carrots was quantified. The sex of the vector affected the feeding behaviour and Lso titre. Females probed and ingested more from the phloem tissues than males and this was correlated with more Lso titter inoculated by females than by males. Despite Lso titter differences, transmission rate was not affected by sex and both males and females transmitted Lso very efficiently. This study also showed that groups of females more severe symptoms than groups of males, however this difference was not evident when comparing symptoms produced by single males or single females. These results show a high vector efficiency of B. trigonica and highlight the importance of vector sex in the transmission of Lso. Third, the risk of transmission of Lso from carrots to other economically important crops was assessed. In the Mediterranean region, B. trigonica is the only known vector of Lso, but the leek-onion psyllid Bactericera tremblayi Wagner is another widespread psyllid and potential vector of Lso. Thus, the settling, oviposition and feeding behaviour of B. trigonica and B. tremblayi in potato, carrot, celery and leek were studied and the likely implications for the spread of Lso were determined. Bactericera trigonica was unable to transmit Lso efficiently to potato nor to colonize potato. Additionally, B. trigonica showed a clear preference to ingest sap from the phloem, settle and oviposit on carrot and celery. Consequently, Lso was efficiently transmitted to both carrot and celery. On the other hand B. tremblayi preferred leek over carrot and potato, with potato being the less preferred host. Additionally B. tremblayi was able to ingest from the phloem of carrot and consequently could acquire Lso but failed to transmit the bacterium from carrot to carrot. Results showed that despite B. trigonica can transmit Lso to potato with very low efficiency it is not a threat to potato crops. Furthermore, B. tremblayi is not a likely vector of Lso. Finally, population densities of psyllid associated to commercial carrot and potato fields were estimated in 2015 and 2016 by three different sampling methods (sweep net, green tile traps and visual inspection of eggs and nymphs). Commercial plots were surveyed in two of the most important carrot producing regions in Spain: Castilla-Leon and Comunidad Valenciana, more preciselyin Gomezserracín (Segovia), Ìscar (Valladolid) and Villena (Alicante). In addition, psyllid populations in two commercial potato plots Aldearrubia (Salamanca) and Gomezserrcìn (Segovia) were monitored. B. trigonica was the most abundant psyllid in all carrot fields followed by B. nigricornis. On the other hand, B. nigricornis was the most abundant psyllid species associated with potato fields in both 2015 and 2016 and was the only psyllid species able to complete its life cycle in potato plants. B. trigonica was associated with one potato plot that was planted next to a carrot infested crop. Data suggests that B. trigonica can colonize carrot but not potato and that B. nigricornis is able to colonize both carrot and potato. This Thesis provides new information on the feeding behaviour, the transmission ability and the population dynamics of psyllids on Apiaceae and potato crops. Such information is critical for understanding the epidemiology of Lso and for developing effective disease management strategies.