Action spectrum of mi-1.2 gene toward Meloidogyne spp. and study of the resistance of virulent and avirulent populations in tomato: histopathological characterization of plant-nematode interaction

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The tomato crop is parasitized by different pathogens, among them Root-knot nematodes (RKN), genus Meloidogyne, which have a wide geographical distribution, high reproductive capacity and cause great damage to the tomato crop, with losses ranging from 25-100%. Among the control methods against Meloidogyne spp., genetic resistance, with the use of resistant tomato cultivars and rootstocks, is the most efficient and recommended measure, in addition to not requiring a drastic change in crop management and to causing less environmental impact in the control of this endoparasite. The present thesis has as its general objective the study of the resistance spectrum of the Mi-1.2 gene and a possible suppression in tomato rootstocks of this gene’s resistance to Meloidogyne spp. in Rio Grande do Sul. It also aims to measure the resistance of seven tomato rootstocks with the Mi-1.2 gene and evaluate the reaction of a plant of the species Solanun arcanum, with Mi-9 gene Meloidogyne spp. populations, furthermore characterizing histologically the interaction between the rootstock - 'Guardião' and two populations of M. javanica (virulent and avirulent). The experiments were carried out in laboratory and greenhouse facilities. In the first study, the resistance conferred by the Mi-1.2 gene/locus was evaluated in populations of 15 Meloidogyne species occurring in Brazil, using tomato cultivars Santa Clara (susceptible homozygote) and Debora Plus (resistant heterozygote). Thus, it was possible to verify that in addition to the species M. javanica, M. incognita and M. arenaria, resistance mediated by the Mi-1.2 gene was also effective for M. ethiopica, M. exigua, M. hispanica, M. inornata, M izalcoensis, M. konaensis, M. luci, M. morocciensis, M. paranaensis and M. petuniae and ineffective for M. enterolobii and M. hapla. In the second study, through the biochemical characterization of α-esterase, the perineal pattern and pathogenicity test in a resistant rootstock, it was possible to identify a virulent population of M. javanica, infecting the root system of ‘Guardião’ rootstock, in a production area of tomato in Rio Grande do Sul. In the third study, seven tomato rootstocks characterized by PCR technique as homozygous and heterozygous at the Mi locus, when inoculated with avirulent and virulent populations of Meloidogyne spp., showed that the dosage of Mi alleles is associated with a reduced reproductive factor (RF), only for avirulent populations. Besides that, the variability observed in the RF values of M. javanica, M. incognita and M. arenaria avirulent populations, within the Mi-1.2 allelic conditions, indicates a gene dosing effect, as well as influence from the genetic background of the plant. In the study of the mechanisms of resistance (avirulent populations) and susceptibility (virulent populations), the second-stage juveniles (J2) of M. javanica virulent population penetrated, underwent three moults and completed the cycle developing in fertile adults, equally in both genotypes (susceptible and resistant), while for the avirulent population of M. javanica, few J2s managed to penetrate the resistant genotype, and cell death and hypersensitivity reaction were visualized at the nematode infection site. In the fourth study, when evaluating the resistance of a new Mi-9 resistance gene, the results indicated resistance of the gene to M. javanica, M. incognita and M. arenaria populations. They also indicated susceptibility with population reduction for M. enterolobii and virulent Mi-1.2 of M. javanica, indicating that the resistance mediated by the Mi-9 gene does not differ completely from the Mi-1.2 gene at a temperature of 25-28ºC. These results show that the continuous search for new sources of resistance is indispensable, since plants with resistance to M. enterolobii and virulent Mi-1.2 RKN populations have not yet been found. A cultura do tomateiro é afetada por diferentes patógenos, entre eles os nematoides das galhas (gênero Meloidogyne) que apresentam uma distribuição geográfica ampla, alta capacidade reprodutiva no tomateiro e causam grandes danos à cultura com perdas variando de 25-100%. Entre os métodos de controle de espécies de Meloidogyne em tomateiro, o emprego de cultivares e porta-enxertos com resistência genética é a mais eficiente das medidas preconizadas uma vez que não exige mudanças drásticas no manejo da cultura e apresenta um baixo impacto ambiental no controle desse endoparasita. A presente Tese teve como objetivo geral estudar o espectro de resistência do gene Mi-1.2 contra uma amapla gama de espécies de Meloidogyne e confirmar uma possível suplantação da resistência desse gene por uma população de Meloidogyne obtida na Rio Grande do Sul. Outros objetivos foram os de estimar os efeitos da dosagem alélica do gene Mi-1.2 em sete porta–enxertos de tomateiro e avaliar a reação contra populações de Meloidogyne de um acesso da espécie Solanun arcanum contendo o gene Mi-9. As interações entre o porta-enxerto ‘Guardião’ (contendo o gene Mi-1.2) e duas populações de M. javanica virulentas e avirulentas também foram caracterizadas via análise histológica. Os experimentos foram realizados em laboratório e casa de vegetação. No primeiro estudo, a resistência conferida pelo gene/locus Mi-1.2 foi avaliada em populações de 15 espécies de Meloidogyne ocorrentes no Brasil, empregando cultivares de tomateiro Santa Clara (homozigoto suscetível) e Debora Plus (heterozigoto resistente). Além das espécies M. javanica, M. incognita e M. arenaria, a resistência mediada pelo gene Mi-1.2 se mostrou também efetiva para: M. ethiopica, M. exigua, M. hispanica, M. inornata, M. izalcoensis, M. konaensis, M. luci, M. morocciensis, M. paranaensis e M. petuniae. Os resultatos também confirmaram que o gene Mi-1.2 nãoe é efetivo contra M. enterolobii e M. hapla. No segundo estudo, através da caracterização bioquímica da α-esterase, do padrão perineal e teste de patogenicidade em porta-enxerto resistente ‘Guardião’, foi possível identificar, pela primeira vez no país, uma população de M. javanica virulenta ao gene Mi-1.2 em área de produção no Rio Grande do Sul. No terceiro estudo, sete porta-enxertos de tomateiro caracterizados pela técnica de PCR como homozigotos ou heterozigotos para o gene Mi-1.2, quando inoculados com populações avirulentas e virulentas de Meloidogyne spp., mostraram que a dosagem de alelos Mi-1.2 está associada à redução do fator de reprodução (FR) apenas em resposta a populações avirulentas. Além disso, a variabilidade observada nos valores do FR das populações avirulentas de M. javanica, M. incognita e M. arenaria detectadas dentro das condições alélicas Mi-1.2, indica um efeito de dosagem do gene, bem como uma influência do fundo genético da cultivar/acesso. No estudo dos mecanismos de resistência/incompatibilidade (= populações de Meloidogyne avirulentas) e suscetibilidade/compatibilidade (= população de Meloidogyne virulentas), os juvenis do segundo estádio (J2) da população de M. javanica virulenta penetraram, sofreram três ecdises e completaram o ciclo se desenvolvendo em adultos férteis de maneira similar nos dois genótipos contrastantes (suscetível e resistente), enquanto que na população avirulenta de M. javanica, poucos J2s conseguiram penetrar no genótipo resistente e foi visualizada morte celular e reação de hipersensibilidade nos sítios da infecção do nematoide. No quarto estudo, envolvendo a avaliação de um novo gene de resistência (Mi-9), os resultados indicaram resistência contra populações de M. javanica, M. incognita e M. arenaria avirulentas em relação ao gene Mi-1.2 e suscetibilidade contra populações de M. enterolobii e de M. javanica virulenta ao gene Mi-1.2, indicando que a resistência mediada pelo gene Mi-9 não difere inteiramente da controlada pelo gene Mi-1.2 em temperaturas de 25-28ºC. Esses resultados mostram que a busca contínua por novas fontes de resistência é indispensável, uma vez que plantas com resistência a M. enterolobii e a populações de M. javanica virulentas ao gene Mi-1.2 ainda não foram identificadas.