La fusión de matemáticas y entomología predice brotes de pulgón de la soja

De izquierda a derecha, el estudiante de posgrado Urvashi Verma, la profesora asociada Rana Parshad y la estudiante de posgrado Aniket Banerjee frente a resoluciones en una pizarra en la oficina de Carver Hall de Parshad. Imagen más grande. Fotos de Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa.

AMES, Iowa — En la pizarra de su oficina, Rana Parshad traza un eje y vertical para los pulgones y un eje x horizontal para el tiempo. Según el modelo de crecimiento exponencial, explica el profesor asociado de matemáticas de la Universidad Estatal de Iowa, los pulgones se multiplican rápida e indefinidamente. Lo representa dibujando con tiza una curva pronunciada y ascendente.

Pero la realidad es más complicada, afirma Parshad. Las poblaciones de pulgones a menudo colapsan cuando la soja, su planta huésped preferida, se seca o «envejece» antes de la cosecha. Dibuja una línea recta encima del gráfico. «capacidad de carga» cambia la curva j a «s».

También es posible que se produzcan múltiples auges y caídas durante la temporada de crecimiento, añade Parshad. Las avispas parásitas y depredadores como las mariquitas pueden ejercer una intensa competencia por el alimento, que conduce a una disminución del número de pulgones seguida de una regresión. El clima y la salud de los cultivos también son factores importantes.

«La mayoría de los modelos de población estándar no capturan estas interacciones complejas y dinámicas entre plantas, insectos y eventos climáticos», dijo Parshad, cuya experiencia incluye sistemas dinámicos, biología matemática y ecuaciones diferenciales.

Para llenar estos vacíos, Parshad y sus estudiantes de posgrado, Aniket Banerjee y Urvashi Verma, están colaborando con entomólogos de la Universidad Estatal de Ohio. Los resultados del proyecto, financiado con una subvención de 552.890 dólares del Departamento de Agricultura de EE. UU., podrían ayudar a los expertos a predecir futuros brotes de la plaga y desarrollar nuevas estrategias de mitigación para los agricultores.

Durante los próximos tres años, los investigadores:

• Compare los efectos de la soja estresada por exceso o insuficiencia de agua sobre el éxito reproductivo de los pulgones que son resistentes o susceptibles a las defensas naturales de las plantas.
• Evalúe cómo la soja con estrés hídrico afecta las interacciones del pulgón con una avispa parásita.
• Realice un seguimiento de los cambios en la proporción de pulgones que son resistentes o susceptibles a las defensas naturales de las plantas en diferentes escenarios de estrés hídrico.
• Desarrollar modelos matemáticos para simular cambios en la dinámica de la población de pulgones durante la temporada de crecimiento y en respuesta a una gama más amplia de factores estresantes.

Andrew Michel, decano y profesor de entomología, y Margaret Lewis, becaria postdoctoral en Ohio State, están realizando experimentos de laboratorio y de campo y compartiendo sus datos con el equipo de Iowa State.

De izquierda a derecha, el Dr. Rana Parshad con los estudiantes de posgrado Aniket Banerjee y Urvashi Verma escriben fórmulas en la pizarra de su oficina. Imagen más grande.

A principios de este mes, Parshad, Banerjee y Verma publicaron una preimpresión de su propuesta de «modelo logístico no local de capacidad de carga variable» para la dinámica de la población de pulgones. Parshad dice que su modelo puede capturar múltiples picos de población. Pero continuarán mejorándolo y ampliándolo para incluir más factores, como la idoneidad de la planta huésped que cambia durante el transcurso de la temporada de crecimiento y los efectos de la sequía y las inundaciones.

Las plantas suelen aumentar sus defensas químicas cuando se exponen a la sequía. Lo que está menos claro es qué sucede durante las inundaciones y qué efecto podría tener sobre los pulgones, dice Parshad.

¿Por qué los pulgones pueden causar estragos?

Una gran cantidad de pulgones puede causar graves daños a las plantas. El profesor de entomología del estado de Iowa, Matthew O’Neill, dice que «los pulgones de la soja pueden reducir el tamaño de las vainas, el tamaño de las semillas y la altura de las plantas, lo que resulta en pérdidas de rendimiento de hasta un 40% en el Medio Oeste».

Parte del éxito del pulgón es la tasa de reproducción, tanto sexual como asexual. Los pulgones pueden reproducirse hasta 15 generaciones en la soja. También les pueden crecer alas y volar hacia otras fuentes de alimento o hacia el cardo común, su planta huésped durante el invierno.

En respuesta, los agricultores pueden cultivar variedades de soja resistentes a los pulgones, pero la aparición de pulgones «virulentos» amenaza esta estrategia. Los pulgones virulentos superan las defensas químicas de la planta transmitiendo sus rasgos a la descendencia.

En 2022, Parshad y O’Neill, junto con sus estudiantes de posgrado Banerjee e Ivair Valmorbida, publicaron un artículo que examina la dinámica de los pulgones infecciosos de la soja y los pulgones «no virulentos» que no son resistentes a los nuevos cultivares de soja. Utilizando experimentos de laboratorio y modelos matemáticos, descubrieron que los pulgones virulentos y los pulgones avirulentos pueden coexistir en una planta de soja resistente. Los pulgones virulentos cambian la composición química de la planta huésped, haciéndola más hospitalaria para los pulgones «no abundantes».

“Con el tiempo, siempre habrá algunas poblaciones resistentes. Es muy natural. La pregunta importante es cómo gestionar eso y mantener esos números bajos». dice Parshad.

En el futuro, Parshad y O’Neill explorarán el control biológico basado en depredadores con parches entre cultivos. En esta disposición, los escarabajos, las avispas parásitas y otros insectos que se alimentan de pulgones pueden moverse entre dos hábitats, o «parches», entre la capa de pradera y los campos de cultivo estacionales. Parshad dice que el concepto es como tener un restaurante cerca de casa. Es más probable que comas fuera si es de fácil acceso.