Improving stored products pest management: Biological control and methods for pest detection in stored rice

Abstract

Les plagues d'artròpodes en productes emmagatzemats representen per a la agroindústria un repte econòmic i de seguretat alimentària que afecta la producció d'aliments post collita. Encara que el problema es gestiona principalment amb pesticides, el Maneig Integrat de Plagues (MIP) ofereix una alternativa més sostenible, destacant el control biològic amb enemics. No obstant això, es requereix més coneixement sobre la seva implementació efectiva en diferents entorns d'emmagatzematge, a més de millorar les tècniques de prevenció i detecció de plagues. Aquesta tesi doctoral s’ha centrat a millorar mètodes alternatius per al control de les principals plagues de productes alimentaris emmagatzemats, particularment de l’arròs a granel, mitjançant el desenvolupament d'estratègies de control biològic amb parasitoides i àcars depredadors, i la millora de la detecció de plagues mitjançant mètodes moleculars. En el Capítol 1 es va estudiar l'ús de tres àcars depredadors generalistes, Blattisocius tarsalis, Cheyletus malaccensis i Amblyseius swirskii, com a enemics naturals per al control de les principals plagues de productes emmagatzemats. Les possibles preses es van provar en dos entorns de diferent complexitat. Es va avaluar l'efecte dels alliberaments setmanals d'aquests àcars, tant individualment com en combinació, sobre les poblacions de les plagues comunes de l'arròs, O. surinamensis i Sitotroga cerealella, en arenes d'arròs de grandària mitjana durant deu setmanes. Només B. tarsalis i C. malaccensis van ser capaços de consumir significativament aquestes plagues, reduint la seva població a la meitat, sense cap benefici addicional en combinar les dues espècies.En el Capítol 2 es va avaluar la idoneïtat del parasitoide Cephalonomia tarsalis, com a enemic natural del corc dentant del grans, Oryzaephilus surinamensis, en l’arròs, i es va explorar la possibilitat de millorar el control de la plaga combinant-lo amb l'àcar depredador B. tarsalis. Es va provar la capacitat del parasitoide per localitzar i parasitar el seu hoste en tubs de PVC de 150 cm d’alçada plens d'arròs, mentre que la combinació d'enemics naturals es va avaluar en recipients de grandària mitjana. Cephalonomia tarsalis es va moure lliurement per l'arròs fins a una profunditat de 150 cm i va ser capaç de reduir la població de la plaga fins al 60%. En l'arena de mida mitjana, una sola alliberació del parasitoide gairebé va eliminar completament la plaga en tres mesos, mentre que les alliberacions de B. tarsalis cada dues setmanes van reduir la població de la plaga a la meitat. La combinació dels dos enemics naturals no va millorar la reducció de plagues produïda pel parasitoide. En el Capítol 3 es va avaluar l'eficàcia del parasitoide Anisopteromalus calandrae, en el control d'una de les principals plagues de l'arròs, Sitophilus zeamais, en presència de l'hoste alternatiu Rhyzopertha dominica. Es van dur a terme assajos en el laboratori i en sacs comercials grans amb diferents proporcions d'ambdues plagues per determinar la preferència de l'hoste. Anisopteromalus calandrae va preferir S. zeamais com a hoste, independentment de les proporcions d'hoste i de la grandària de l'arena, i la presència de R. dominica no va alterar el seu control. Finalment, en el Capítol 4, es va desenvolupar un mètode basat en qPCR en temps real utilitzant primers universals per artròpodes per detectar la contaminació d'arròs per les espècies de plagues més comunes d'aquest cereal en una sola anàlisi, evitant l'ús de primers específics per a cada espècie de plaga per separat. El mètode va poder detectar plagues a un nivell d'infestació tan baix com 0,0052 g de biomassa d'artròpodes per kg d'arròs.

Els resultats d'aquesta tesi doctoral representen un important avanç en l'optimització del maneig de plagues en productes emmagatzemats i contribueixen al desenvolupament d'estratègies de control més sostenibles.

Las plagas de artrópodos en productos almacenados representan para la agroindustria un desafío económico y de seguridad alimentaria que afecta la producción post cosecha. Aunque el problema se gestiona principalmente con pesticidas, el Manejo Integrado de Plagas (MIP) ofrece una alternativa más sostenible, destacando el control biológico con enemigos naturales. Sin embargo, se requiere más conocimiento sobre su implementación efectiva en diferentes entornos de almacenamiento, además de mejorar las técnicas de prevención y detección de plagas. Esta tesis doctoral se centró en mejorar métodos alternativos para el control de las principales plagas de productos alimenticios almacenados, particularmente del arroz a granel, a través del desarrollo de estrategias de control biológico con parasitoides y ácaros depredadores, y de la mejora de la detección de plagas mediante métodos moleculares. En el capítulo 1 se estudió el uso de tres ácaros depredadores generalistas, Blattisocius tarsalis, Cheyletus malaccensis y Amblyseius swirskii, como agentes de control de las principales plagas de productos almacenados. Las posibles presas se probaron en dos entornos de diferente complejidad. Se evaluó el efecto de las liberaciones semanales de estos ácaros, tanto individualmente como en combinación, sobre las poblaciones de las plagas comunes del arroz, O. surinamensis y Sitotroga cerealella, en recipientes de arroz de tamaño medio durante 10 semanas. Solo B. tarsalis y C. malaccensis fueron capaces de consumir significativamente estas plagas, reduciendo su población a la mitad, sin ningún beneficio adicional al combinar las dos especies. En el Capítulo 2 se evaluó la idoneidad del parasitoide Cephalonomia tarsalis como enemigo natural de la carcoma dentada de los granos, Oryzaephilus surinamensis, en el arroz, y se exploró la posibilidad de mejorar el control de la plaga al combinarse con el ácaro depredador B. tarsalis. Se probó la capacidad del parasitoide para localizar y parasitar a su huésped en tubos de PVC de 150 cm de altura llenos de arroz, mientras que la combinación de enemigos naturales se evaluó en recipientes de tamaño medio. Cephalonomia tarsalis se movió libremente por el arroz hasta una profundidad de 150 cm y fue capaz de reducir la población de plagas hasta en un 60%. En la arena de tamaño medio, una sola liberación del parasitoide casi eliminó por completo la plaga en tres meses, mientras que las liberaciones de B. tarsalis cada dos semanas redujeron la población de la plaga a la mitad. La combinación de ambos enemigos naturales no mejoró la reducción de plaga producida por el parasitoide. En el capítulo 3 se evaluó la efectividad del parasitoide Anisopteromalus calandrae, en el control de una de las principales plagas del arroz, Sitophilus zeamais, en presencia del huésped alternativo Rhyzopertha dominica. Se realizaron ensayos en el laboratorio y en sacos comerciales grandes con diferentes proporciones de ambas plagas para determinar la preferencia del huésped. Anisopteromalus calandrae prefirió a S. zeamais como huésped, independientemente de las proporciones de huésped y del tamaño del contenedor, y la presencia de R. dominica no alteró su control. Finalmente, en el Capítulo 4, se desarrolló un método basado en qPCR en tiempo real que utiliza cebadores universales para artrópodos con el fin de detectar la contaminación del arroz por las especies de plagas más comunes de este cereal en un solo análisis, evitando el uso de cebadores específicos para cada especie de plaga por separado. El método pudo detectar plagas a un nivel de infestación tan bajo como 0,0052 g de biomasa de artrópodos por kg de arroz. Los hallazgos de esta tesis doctoral representan un importante avance en la optimización del manejo de plagas en productos almacenados y contribuyen al desarrollo de estrategias de control más sostenibles.

Arthropod pests in stored products represent a significant economic and food safety challenge for the agro-industry as they compromise post-harvest food production and damage the final product. Although the problem is mainly managed with pesticides, Integrated Pest Management (IPM) offers a more sustainable alternative. Biological control with natural enemies is a promising IPM strategy. However, more knowledge is required on its effective implementation and success in different storage environments, in addition to improving pest prevention and detection techniques. This PhD thesis focuses on improving alternative methods for controlling major pests of stored food products, particularly in bulk rice, through the development of biological control strategies with parasitoids and predatory mites and the improvement of pest detection by molecular methods. Chapter 1 studies the use of three generalist predatory mites, Blattisocius tarsalis, Cheyletus malaccensis and Amblyseius swirskii, as biocontrol agents for the control of major stored product pests. Potential preys were tested in two arenas of different complexity. The effect of weekly releases of these mites, individually or combined, on populations of the common rice pests, O. surinamensis and Sitotroga cerealella, was evaluated in medium-sized rice arenas over 10 weeks. Only B. tarsalis and C. malaccensis were able to significantly consume these pests, reducing their population by half, with no additional benefit from combining the two species. Chapter 2 evaluates the suitability of the parasitoid Cephalonomia tarsalis, very little studied, as a natural enemy of the sawtooth grain beetle, Oryzaephilus surinamensis, in rice and explored the potential enhancement of pest control by combining it with the predatory mite, B. tarsalis. The ability of the parasitoid to locate and parasitize its host was tested in 150 cm long PVC pipes filled with rice, while the combination of natural enemies was assessed in medium-sized arenas. Cephalonomia tarsalis move freely through the rice up to 150 cm deep and can reduce pest population by up to 60%. In the medium-sized arena, a single release of the parasitoid nearly completely suppresses the pest for three months, while releases of B. tarsalis every two weeks suppress the pest population by half. Combining both natural enemies does not enhance pest reduction produced by the parasitoid. Chapter 3 assesses the effectiveness of the well-studied parasitoid Anisopteromalus calandrae in controlling one of the main rice pests, Sitophilus zeamais in the presence of the alternative host pest, Rhyzopertha dominica. Trials in laboratory and commercial big bags with different proportions of both pests were conducted to determine host preference. Anisopteromalus calandrae prefers S. zeamais as a host, regardless of host proportions and arena size, and the presence of R. dominica does not alter its control. Finally, in Chapter 4, a method based on real-time qPCR using universal arthropod primers is developed to detect rice contamination by the most common pest species of this cereal in a single analysis, avoiding the use of specific primers for each pest species separately. The method could detect pests at an infestation level as low as 0.0052 g of arthropod biomass per kg of rice. The findings of this PhD thesis represent an important advancement in optimizing the management of stored products pests and contribute to the development of more sustainable control strategies.