Innovative environmental-friendly strategies for plant pest control

Negli ultimi decenni il cambiamento climatico e lo scambio di merci a livello globale hanno avuto, e continuano ad avere, un impatto importante su vari aspetti della vita quotidiana. Uno di questi aspetti è l’arrivo e successiva diffusione in vari territori di specie animali alloctone. Queste possono poi adattarsi al nuovo ambiente senza comprometterlo (questo nel migliore dei casi) oppure possono stravolgerlo completamente pregiudicando l’equilibrio dell’ecosistema (ed è quello che accade nei casi peggiori, spesso frequenti). Tra le specie di fitofagi alloctone comparse negli ultimi vent’anni nel territorio europeo troviamo Drosophila suzukii (Matsumura) (Diptera: Drosophilidae) (o moscerino dei piccoli frutti) e Halyomorpha halys (Stål) (Hemiptera: Pentatomidae) (o cimice asiatica), due insetti di grande interesse agronomico, in quanto causa di enormi danni a diversi prodotti ortofrutticoli con importanti perdite economiche per gli agricoltori. Ad oggi, il principale sistema di protezione delle colture dagli attacchi di queste specie alloctone consiste nell’uso di insetticidi convenzionali. Il loro utilizzo, eccessivo o erroneo, è fonte di preoccupazione sia per i possibili danni alla salute umana, sia per gli effetti indesiderati verso organismi non target. Oltretutto un uso indiscriminato può dare luogo a fenomeni di assuefazione con la possibile selezione di popolazioni di insetti resistenti ai trattamenti, da cui consegue la perdita di efficacia dei prodotti impiegati ed il relativo spreco delle risorse investite. In questo elaborato vengono indagati due diversi approcci per lo sviluppo di nuovi bioinsetticidi specifici, seguendo la filosofia dell’Integrated Pest Management (IPM). Come casi di studio, ci si è focalizzati su due insetti nocivi per le colture: D. suzukii e H.halys. Nel caso di D. suzukii è stato preso in considerazione l’utilizzo degli estratti vegetali di Monarda didyma (Linnaeus) (Lamiales: Lamiaceae) quali l’olio essenziale e l’idrolato, valutando la tossicità (contatto e fumigazione) e la repellenza nella deposizione delle uova. Inoltre è stato valutato l’uso della zeolite come carrier per migliorare gli effetti tossici per fumigazione, verificando la sua efficacia nel tempo. Questo studio ha mostrato come l’uso di questi estratti, grazie ai terpeni di cui sono composti, è in grado di indurre tossicità nel breve-medio termine con un importante calo nel numero di uova deposte. Inoltre sono state valutate le risposte molecolari dell’insetto, tramite analisi dell’espressione di geni coinvolti 2 nei processi metabolici di detossificazione, rivelando come le citocromo monoossigenasi, glutatione-S-transferasi e uridina difosfato glicosiltransferasi giochino un ruolo centrale. Per H. halys, è stato valutato un approccio biotecnologico, utilizzando il meccanismo dell’RNA interference con lo scopo di silenziare alcuni geni metabolici target come Ferritina, Triptofano 2,3-diossigenasi, ADAM 17-like proteasi e Calcifosina-like protein. Il silenziamento di tali geni, utilizzando quantità variabili di RNA a doppio filamento (dsRNA), ha mostrato un aumento della mortalità delle cimici alla fase di neanide di secondo stadio. I dsRNA verso i geni che hanno mostrato maggiore efficienza nel silenziamento sono stati saggiati anche negli stadi successivi, maggiormente refrattari al trattamento, utilizzando il chitosano come carrier. L’uso del chitosano ha fatto sì che si osservasse un effetto di silenziamento anche in stadi di sviluppo più avanzati e negli adulti. I risultati ottenuti hanno mostrato che l’uso di questi prodotti può essere preso in considerazione per lo sviluppo di bioinsetticidi mirati ed innovativi, al fine di sostituire o ridurre il ricorso agli insetticidi convenzionali. In recent decades, climate change and global trade have had, and continue to have, a significant impact on various aspects of daily life. One such aspect is the appearance and subsequent spread of allochthonous animal species in different territories. These alien species can either adapt to the new environment without compromising it (in the best-case scenario) or completely disrupt it, undermining the balance of the ecosystem (which happens in the unfortunately frequent worst-case scenario). Among the phytophagous alien species that have appeared in the European territory over the last twenty years are Drosophila suzukii (Matsumura) (Diptera: Drosophilidae) (or spotted-wing drosophila) and Halyomorpha halys (Stål) (Hemiptera: Pentatomidae) (or brown marmorated stink bug), two insects of great agronomic interest, as they cause huge damage to various fruit and vegetable products, leading to significant economic losses for farmers. Currently, the main system for protecting crops from the attacks of alien phytophagous species involves the use of pesticides. Their excessive or improper use raises concerns both for potential damage to human health and for the undesirable effects on non-target organisms. Moreover, indiscriminate use can lead to dangerous phenomena, such as the possible emergence of insects resistant to treatments, resulting in the loss of effectiveness of the products used and the related waste of resources. This paper describes two different approaches for the development of new, specific biopesticides, following the philosophy of Integrated Pest Management (IPM). As case studies, the focus has been on the two insect species that damage several crops: D. suzukii and H. halys. For D. suzukii, the use of plant extracts from Monarda didyma (Linnaeus) (Lamiales: Lamiaceae), such as the essential oil and the hydrosol, was considered, evaluating their toxicity (topical and fumigant) and oviposition deterrence. Additionally, the use of zeolite as a carrier was assessed to improve the fumigation toxicity effects, testing its efficacy over time. This study showed that these extracts, due to the terpenes they contain, can induce toxicity in the short to medium term, leading to a significant decrease in egg-laying. Moreover, the insect’s molecular responses were evaluated by analyzing the expression of genes involved in detoxification metabolic processes, revealing that cytochrome P450 4 monooxygenases, glutathione-S-transferases, and UDP-glycosyltransferases play a central role. For H. halys, a biotechnological approach was evaluated, using RNA interference (RNAi) to silence target metabolic genes, such as Ferritin, Tryptophan 2,3-dioxygenase, ADAM 17-like protease, and Calcyphosin-like protein, by determining the optimal amount of double-stranded RNA (dsRNA). Silencing these genes, using various amount of dsRNA, induced mortality in nymphs at the second stage of stink bugs. The most efficient dsRNAs were also tested in later developmental stages, which are more resistant to treatment, using chitosan as a carrier. The use of chitosan resulted in gene silencing effect in all treated samples. The results obtained suggest that these bioproducts could be considered for the development of targeted and innovative biopesticides, aiming to replace or reduce the use of conventional pesticides.