Characterization of resistant Cucumis germplasm to manage root-knot nematodes Meloidogyne spp.

Abstract

Plant resistance through grafting susceptible scions onto resistant rootstocks is an effective measure to supress root-knot nematode (RKN) populations and to reduce crop yield losses. However, the reiterative use of specific R genes could select virulent populations for those genes. Cucumis metuliferus is one promising rootstock for melon and cucumber, but there is little information regarding the host suitability to nematode populations from specific production areas, the effect on the population dynamics, the durability of the resistance, the rootstock-scion compatibility and the effect of the nematode on the crop yield quantity and quality. Accordingly, the main objective of this PhD thesis was to evaluate the resistance response of Cucumis metuliferus to Meloidogyne spp. and its compatibility with melon, its resistance durability in crop rotation with Mi1.2 resistant tomato and the effect of the rootstocks and nematode population densities on both tomato and melon yield and fruit quality. The specific objectives were i) To evaluate the host suitability of different accessions of Cucumis metuliferus against (a) virulent Mi1.2 isolates of Meloidogyne spp. and its compatibility with melon. ii) To determine the effect of a three years tomato-melon rotation on the population dynamics of M. incognita, the crop yield (quantity and quality), and the durability of the resistance of both tomato Mi1.2 gene and C. metuliferus R genes. The main conclusions obtained from this work was that C. metuliferus is resistant to the main three common Meloidogyne species including virulent isolates to the Mi1.2 resistant gene. The histopathological studies have shown poorly developed giant cells induced by Meloidogyne javanica in C. metuliferus and necrotic areas surrounding the nematode. M. incognita induce the formation of more giant cells but poorly developed and with less number of nuclei per giant cell in resistant than in susceptible plants. C. metuliferus BGV11135 is a compatible rootstock with cantaloupe and piel de sapo type melons without affecting the melon fruit quality. Grafting melon and tomato onto “C. metuliferus” and “Aligator” rootstocks respectively does not increase the crop yield in non-nematode infested soil. The quality of the fruits produced in grafted plants is within the standards. The spring-summer rotation sequence melon-tomato provides more fruit weight yield than the tomato-melon. In infested soil, grafted melon yields more than the ungrafted irrespective of the season. However, grafted melon is more tolerant and experience less maximum yield losses in spring-summer compared to the summerautumn crop. In addition, some melon fruit quality parameters are affected by the nematode in the summer-autumn crop but not in the spring-summer. The reproduction rate of the nematode is affected by the cropping season, the plant material, the initial population density and the virulence to specific R genes. In melon, the reproduction rate of the nematode in ungrafted plants was higher in the spring crop compared to the resistant plants. However, in summer the reproduction rate was lower due to the high mortality. In tomato, the reproduction rate in grafted plants increased progressively in each crop, being higher than the ungrafted at the end of the third tomato crop of tomato-melon rotation due to virulence selection. Virulence to the Mi1.2 was observed in the “Aligator” rootstock after the first tomato crop, but not in C. metuliferus BGV11135. Thus, alternating these two different resistant species was not enough to prevent virulence selection although the level was reduced after using C. metuliferus. The fitness cost parameters of the virulent Mi1.2 subpopulation in the susceptible tomato and melon were reduced with respect to the avirulent subpopulation after the third grafted tomato crop, but not after the second. Cucumis metuliferus is as excellent rootstock to be included in integrated management strategies for control RKN.

La resistencia vegetal mediante el injerto de plantas susceptibles sobre patrones resistentes es una medida eficaz para controlar las poblaciones del nematodo agallador (RKN) y reducir las pérdidas de producción de los cultivos. Sin embargo, el uso reiterativo de genes R específicos podría seleccionar poblaciones virulentas para esos genes. En España, la rotación de cultivos de solanáceas y cucurbitáceas es común y actualmente se encuentran disponibles varios cultivares y portainjertos comerciales resistentes para cultivos de solanáceas. Sin embargo, en el caso de los cultivos de cucurbitáceas, solo unos pocos están disponibles y ninguno para pepino o melón. Algunas especies de cucurbitáceas silvestres se han caracterizado por ser resistentes a Meloidogyne, como algunas especies del género Cucumis. La información sobre la respuesta del huésped a poblaciones de áreas específicas de producción, el efecto sobre la dinámica poblacional, la compatibilidad patrón-variedad y el efecto del nematodo sobre la cantidad y calidad de la producción es esencial para caracterizar el nuevo germoplasma a introducir en los sistemas productivos. Cucumis metuliferus es un patrón prometedor para melón y pepino, pero hay poca información sobre los parámetros mencionados anteriormente. Se espera que la rotación de genes R en cultivares o portainjertos de solanáceas con los de cucurbitáceas podría reducir la tasa de crecimiento de la población del nematodo, así como la probabilidad de seleccionar para virulencia de genes R específicos mejorando la durabilidad de la resistencia. Los resultados obtenidos en este doctorado serán útiles para proporcionar germoplasma resistente capaz de ser utilizado como patrón de melón y pepino, para proponer alternativas del uso de resistencia vegetal y para mejorar su durabilidad reduciendo las pérdidas de rendimiento del cultivo y también el uso de métodos de control químico con el fin de mejorar la sostenibilidad en los sistemas de producción hortícolas. En consecuencia, el objetivo principal de esta tesis doctoral fue evaluar la respuesta de la resistencia de Cucumis metuliferus a Meloidogyne spp. y su compatibilidad con melón, la durabilidad de la resistencia en rotación con tomate resistente Mi1.2 y el efecto del portainjerto y las densidades de nematodos sobre el rendimiento y la calidad del fruto tanto de tomate como de melón. Los objetivos específicos fueron i) Evaluar la respuesta como huésped de diferentes líneas de Cucumis metuliferus frente a aislados (a)virulentos Mi1.2 de Meloidogyne spp. y su compatibilidad con melón y ii) Determinar el efecto de una rotación tomate-melón de tres años sobre la dinámica poblacional de M. incognita, el rendimiento del cultivo (cantidad y calidad) y la durabilidad de la resistencia tanto del gen Mi1.2 de tomate como de C. metuliferus. Cucumis metuliferus es resistente a aislados (a)virulentos del gen Mi1.2 del nematodo agallador de la raíz y un patrón de melón prometedor: Se llevaron a cabo experimentos en macetas para caracterizar la respuesta de dos líneas de Cucumis metuliferus (BGV11135 y BGV10762) del Instituto de Conservación y Mejora de la Agrodiversidad Valenciana (COMAV-UPV), contra aislados (a)virulentos del gen Mi1.2 de Meloidogyne arenaria, M. incognita y M. javanica de España, su respuesta histopatológica y la compatibilidad y el efecto sobre las propiedades fisicoquímicas del melón. Una semana después del trasplante en macetas de 200 cm3, las plantas se inocularon con 1 J2 cm-3 de arena esterilizada y se mantuvieron en una cámara de crecimiento a 25°C durante 40 días. El pepino susceptible cv. Dasher II o el melón cv. Paloma se incluyeron como controles susceptibles para su contraste. Se evaluó el número de masas de huevos y el número de huevos por planta, y se calculó el índice de reproducción (IR) como el porcentaje de huevos producidos en las líneas de C. metuliferus en comparación con los producidos en los cultivares susceptibles. Los estudios histopatológicos se realizaron utilizando muestras de raíz infectadas de pepino de 2 μm de sección embebidas en resina epoxi obtenidas con un Ultramicrotomo y observadas al microscopio óptico. La compatibilidad y la calidad del fruto se evaluó injertando tres variedades, dos de tipo Charentais y uno de tipo Piel de Sapo, y se cultivaron en condiciones hidropónicas en un invernadero comercial. El nivel de resistencia de ambas líneas de C. metuliferus varió de muy resistente (RI <1%) a resistente (1% ≤ RI ≤ 10%) independientemente de los aislados de Meloidogyne. Las células gigantes inducidas por Meloidogyne spp. en C. metuliferus fueron en general poco desarrolladas con múltiples vacuolas en comparación con las del pepino. Además, se observaron células gigantes sin citoplasma y áreas necróticas que rodeaban al nematodo. Las plantas de melón injertadas en la línea BGV11135 de C. metuliferus crecieron como plantas autoinjertadas sin afectar negativamente los parámetros de calidad del fruto. Cucumis metuliferus reduce la virulencia de Meloidogyne incognita contra el gen de resistencia Mi1.2 en una secuencia de rotación tomate-melón y mejora el rendimiento del cultivo, pero la calidad del fruto del melón está influenciada por la época de cultivo: El tomate susceptible cv. Durinta, no injertado o injertado sobre el patrón resistente “Aligator”, ambos seguidos por el melón susceptible cv. Paloma, no injertado o injertado sobre Cucumis metuliferus BGV11135, y en orden inverso, se cultivaron de 2015 a 2017 en las mismas parcelas en un invernadero de plástico, infestadas o no, con Meloidogyne incognita. Para cada cultivo, se determinaron las densidades de nematodos del suelo, el índice de agallas, el número de huevos por planta y el rendimiento del cultivo (cantidad y calidad). Se evaluó la relación entre las densidades de M. incognita en el suelo al trasplante (Pi) de cada cultivo y el rendimiento del cultivo y se estimó la tolerancia (T) y el rendimiento relativo mínimo del cultivo (m) mediante el modelo de pérdidas de producción de Seinhorst al final de cada cosecha. Al final de cada cultivo, se evaluó la selección de virulencia en experimentos en macetas. Además, se contrastó el volumen y el número de núcleos de células gigantes individuales y el número de células gigantes, su volumen y número de núcleos por sitio de alimentación en tomate y melón susceptibles con los del tomate resistente y C. metuliferus 15 días después de la inoculación de nematodos en maceta. En la rotación tomate-melón, las densidades de nematodos aumentaron progresivamente para el tomate injertado, siendo mayores que para las plantas no injertadas al final del estudio; pero no así en la rotación melón-tomate. Los cultivos injertados rindieron más que los no injertados en las parcelas infestadas. La T estimada para el tomate no injertado fue levemente mayor, pero m fue menor (34%) que para el tomate injertado (67%). La concentración de sodio en los frutos de tomate no injertado, pero no en del tomate injertado, aumentó con las densidades de nematodos en la primavera de 2015 y 2016. La T estimada de melón no injertado no difirió de la del melón injertado cultivado en primavera, pero sí cuando se cultivó en verano. El rendimiento relativo del cultivo de melón sin injertar fue menor (2%) que el del cultivo injertado en primavera (62%) o verano (20%). La concentración de sodio en frutos de melón de plantas no injertadas aumentó con la densidad de nematodos. No se encontraron variaciones en la calidad del fruto del melón injertado cultivado en primavera, aunque se registró menos contenido de materia seca y sólidos solubles totales en las densidades más altas de nematodos cuando se cultivó en verano. Se detectó virulencia contra el gen Mi1.2, pero no contra C. metuliferus. La reproducción de M. incognita en el tomate resistente fue de alrededor del 120% que en el cultivar susceptible después del primer cultivo de tomate injertado, pero disminuyó al 25% al final del experimento. Se observó un menor número de células gigantes por sitio de alimentación tanto en el tomate como en el melón susceptible en comparación con los germoplasmas resistentes, pero fueron más voluminosas y tuvieron un mayor número de núcleos por célula gigante y por sitio de alimentación. Las principales conclusiones obtenidas de este trabajo fueron que C. metuliferus es resistente a las tres principales especies comunes de Meloidogyne, incluidos los aislados virulentos del gen de resistencia Mi1.2. Los estudios histopatológicos mostraron células gigantes poco desarrolladas inducidas por Meloidogyne javanica en C. metuliferus y áreas necróticas que rodeaban al nematodo. En tomate resistente cv. Monika y C. metuliferus, M. incognita indujo la formación de más células gigantes, pero poco desarrolladas y con menor número de núcleos por célula gigante que en tomate y melón susceptibles. C. metuliferus BGV11135 es un patrón compatible con melones tipo cantaloupe y piel de sapo sin afectar la calidad del fruto. El melón y tomate injertado en “C. metuliferus” y “Aligator” respectivamente, no aumentó el rendimiento del cultivo en suelos no infestados de nematodos. La calidad de los frutos producidos en plantas injertadas estuvo dentro de los estándares. La secuencia de rotación primavera-verano melón-tomate proporcionó más rendimiento de peso de fruto que la de tomate-melón en nuestras condiciones agroambientales. En suelos infestados de Meloidoyne incognita, el melón injertado rindió significativamente más que el no injertado independientemente de la temporada de cultivo. Sin embargo, el melón injertado fué más tolerante y experimentó menos pérdidas máximas de rendimiento cuando se cultivó en primavera-verano en comparación con la cosecha de verano-otoño. Además, algunos parámetros de calidad del fruto del melón se vieron afectados por el nematodo en la cosecha de verano-otoño, pero no en la primavera-verano. La tasa de reproducción del nematodo se vio afectada por la temporada de cultivo, el material vegetal, la densidad de población inicial y la virulencia de genes R específicos. En melón, la tasa de reproducción del nematodo en plantas no injertadas fue mayor en el cultivo de primavera en comparación con las plantas resistentes. Sin embargo, cuando se cultivó en verano la tasa de reproducción fue menor debido a la alta mortalidad producida por las condiciones de estrés. En tomate, la tasa de reproducción en plantas injertadas aumentó progresivamente en cada cultivo, siendo superior al tomate no injertado al final del tercer cultivo de tomate de la secuencia de rotación tomate-melón debido a la selección de virulencia. Se observó virulencia al gen Mi1.2 en el patrón “Aligator” después del primer cultivo de tomate, pero no en C. metuliferus BGV11135. Consecuentemente, la alternancia de estas dos especies resistentes no fue suficiente para evitar la selección de virulencia al gen Mi1.2, aunque su nivel se redujo después de utilizar C. metuliferus en rotación. El coste biológico de la subpoblación virulenta al gen Mi1.2 en el tomate susceptible se demostró por una menor capacidad de infectar y reproducirse, así como la reducción de la fertilidad de las hembras con respecto a la subpoblación avirulenta. En melón, la subpoblación virulenta al gen Mi1.2 mostró una menor capacidad de reproducción y una menor fertilidad de las hembras con respecto a la subpoblación avirulenta. El coste biológico de la subpoblación virulenta al gen Mi1.2 se detectó solo después del tercer cultivo de tomate injertado. En consecuencia, se necesita un número mínimo de cultivos para fijar el carácter en la población, en nuestras condiciones experimentales, tres cultivos de tomate injertados alternados en "Aligator". Cucumis metuliferus es un excelente portainjerto para ser incluido en las estrategias de manejo integrado de Meloidogyne en sistemas de producción hortícola, debido a su resistencia y tolerancia al nematodo, su efecto en la reducción del nivel de virulencia al gen Mi1.2 y su compatibilidad con melón sin afectar la calidad del fruto.