Biotremology applicata: le vibrazioni che contrastano gli insetti

Innovative tecniche vibrazionali presto potranno essere combinate ad altre strategie di integrated pest management per ridurre l’uso di pesticidi contro molti insetti dannosi in agricoltura. Non sarà facile, tuttavia le prospettive sono promettenti: vediamole assieme.

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Indice

IPM aka integrated pest management

Nel 2007, l’Unione Europea si è dimostrata essere il più grande produttore, utilizzatore ed esportatore di insetticidi, sebbene faccia uso solo dell’8% del suolo agricolo mondiale [1]. Nonostante il trend attuale sia quello di ridurre al minimo l’uso di insetticidi, visto il rischio che costituiscono per la salute dell’uomo e dell’ambiente, essi sono ancora necessari al fine di garantire un’elevata produttività agricola e alimenti sicuri [2].

Quindi, per ottenere delle alternative più sostenibili, l’UE ha emesso una direttiva (2009/128/EC) che promuove la gestione integrata delle colture o integrated pest management (IPM). Più precisamente, l’IPM consiste nella combinazione di diverse tecniche che possano soppiantare o supportare gli insetticidi (riducendone così l’uso) [3]. Esse si fondano sulla biologia e le dinamiche di popolazione dell’insetto [4], in modo tale da assicurare efficacia e specificità, riducendo potenziali effetti deleteri su specie non-target [5][6][7].

Particolarmente promettenti sono gli approcci IPM capaci di influenzare il comportamento dell’insetto mediante stimoli specifici, come la lure-and-kill e la push-and-pull [6]. 

Mentre la prima sfrutta degli stimoli in grado di guidare l’organismo target in una trappola, la seconda si avvale sia di segnali repulsivi che attrattivi per impedire la colonizzazione di una coltura da parte dell’insetto [6].

Ma non solo, certi segnali possono interferire in attività essenziali per la sopravvivenza di un organismo, come l’alimentazione, l’oviposizione o l’accoppiamento [6][7]. Ancora una volta, per riuscire a suscitare l’effetto desiderato, bisogna prima sapere quali sono le modalità sensoriali che guidano il comportamento di una specie [6][7]. Una strategia di mating disruption (o confusione sessuale), per esempio, identifica i richiami sessuali emessi dagli insetti che poi vengono identificati, isolati e infine usati in campo per ridurre il tasso di accoppiamento [7][8].

Ma come comunicano gli insetti? Alcuni usano odori [9] o suoni [10], ci basti pensare ai ferormoni delle falene o al canto delle cicale in estate, ma alcune specie emettono segnali meccanici, cioè vibrazioni, attraverso la superficie del terreno o della pianta (Figura 1) [11][12][13].

Fig. 1 - Figura 1 – Le vibrazioni emesse dall’insetto sono trasmesse attraverso il substrato (suolo o pianta) e vengono percepite sia da un conspecifico (al quale sono indirizzati i segnali) che da predatori (destinatari non desiderati). Nella figura è rappresentata anche la frazione di segnale che si propaga attraverso l’aria (un flebile ronzio raramente udibile dall’orecchio umano) [13]. Copyright © 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

I ruoli delle vibrazioni nel mondo degli insetti

La comunicazione vibrazionale è diffusa nel mondo degli artropodi e si stima che più di 200 mila insetti ne facciano uso per interagire tra loro e con l’ambiente; per esempio, per trovare partner sessuali, proteggere la prole o aiutare i compagni di nido [12]. Alcuni predatori, invece, sfruttano i segnali meccanici emessi dalle proprie prede per trovarle, come nel caso della formica leone [14] o di molti aracnidi [15]. La lista di insetti che comunicano mediante vibrazioni cresce di anno in anno e comprende numerose specie ad interesse agrario [7].

 

Da qui nasce l’applied biotremology (biotremologia applicata), la branca della ricerca che, partendo dallo studio della comunicazione vibrazionale, si pone il fine di sviluppare tecniche di vibrational pest control [13]. Attualmente, dei promettenti risultati sono stati ottenuti su alcune specie di emitteri, vediamone alcuni esempi.

Colture vibranti e approcci IPM: storie di biotremologia applicata

IL VIGNETO VIBRAZIONALE

Scaphoideus titanus è una cicalina che vive e si riproduce sulla vite, alla quale può trasmettere l’agente causale della “Flavescenza dorata”, una malattia grave ed incurabile [16]. Per evitare la diffusione della malattia, è necessario ridurre la popolazione della cicalina, per la quale gli insetticidi sono il primario mezzo di controllo disponibile [16]. Finora, almeno. Recentemente infatti è nato il primo vigneto vibrazionale presso il centro di ricerca della Fondazione Edmund Mach (FEM) a San Michele all’Adige (Trento) (Figura 2) [17].

I ricercatori hanno ideato una strategia di confusione sessuale che sfrutta il naturale segnale di rivalità emesso dal maschio per intromettersi nella comunicazione tra un rivale e una femmina [17][18]. Prove in laboratorio e poi su più larga scala hanno verificato che la trasmissione di questo segnale lungo i cavi del vigneto riduce il tasso di accoppiamento, ed è stato successivamente sviluppato uno strumento (shaker) da utilizzare in campo [17][18]. Il vigneto vibrazionale costituisce una pietra miliare nella storia della biotremologia applicata, ma non è l’unico esempio virtuoso in tal senso.

Fig. 2 - Il primo vigneto vibrazionale presso la FEM di San Michele All’Adige (TN). I dispositivi bianchi (shaker) installati sul palo sono collegati ai cavi che sostengono le piante, alle quali trasmettono il segnale vibrazionale capace di ridurre la popolazione di cicalina (rettangolo in basso a sinistra, foto di Umberto Salvagnin). Per gentile concessione del Dr Valerio Mazzoni

TRAPPOLA PER CIMICI

La cimice asiatica Halyomorpha halys sta mettendo in serio pericolo la frutticultura del Nord e Centro Italia, vista la sua voracità e resistenza agli insetticidi [19]. Un approccio IPM disponibile per il suo controllo consiste in una trappola a feromoni (Biogard®, CBC Europe S.r.l.); tuttavia, gli insetti vengono attratti in prossimità e non all’interno del dispositivo. Per questo motivo, i ricercatori della FEM, dopo aver compreso il ruolo giocato dalle vibrazioni nell’orientamento delle cimici [20], hanno implementato il sistema con il segnale vibrazionale emesso dalle femmine, che guida i maschi all’interno della trappola [21].

Altre strategie di vibrational pest control sono state ottenute oltreoceano su specie dannose quali la cicalina Homalodisca vitripennis [22], la psilla asiatica Diaphorina citri [23] nonché alcuni coleotteri del legno [24]. Visto l’elevato numero di insetti che fanno uso di questa modalità di comunicazione, si sono aperte le porte a nuovi studi e possibili future applicazioni [7][22].

Limiti

I progressi fatti in pochi anni dalla teoria alla pratica sono impressionanti, ma sono tutt’ora numerose le difficoltà che tecniche vibrazionali di pest control devono superare prima di essere disponibili sul mercato [7].

Un’omogenea trasmissione delle vibrazioni lungo tutta la coltura è cruciale ma non sempre facile da ottenere come nel caso del vigneto, dove le piante sono organizzate in file e sostenute da cavi metallici [7][17]. Inoltre, le piante sono strutture complesse ed eterogenee, quindi bisogna comprendere come le onde meccaniche si propaghino attraverso di esse per assicurarsi che il segnale arrivi all’insetto come desiderato [25].

Un ulteriore ruolo chiave è giocato dal dispositivo usato per trasmettere le vibrazioni:deve essere efficace, essere economicamente competitivo e non costituire un rischio per la salute dell’uomo e dell’ambiente [7]. 

Il costo di per sé dell’apparecchio è spesso accessibile per la maggior parte degli agricoltori, soprattutto in vista di potenziali benefici a lungo termine, ma installazione e apporto di energia elettrica necessitano di un ulteriore implementazione [7][22].

Ultimo ma non meno importante, va determinato l’impatto (potenzialmente positivo o negativo) delle vibrazioni sulle piante e su altri animali, soprattutto insetti impollinatori e altre specie utili [7]. Ingegneri, entomologi ed altri ricercatori stanno collaborando per trovare delle soluzioni [22] e, quindi, assicurare un futuro vibrante alle nostre colture.

Conclusioni

In conclusione, una volta superate le varie difficoltà, le strategie vibrazionali forniranno, soprattutto se integrate con altre tattiche IPM, un’alternativa agli insetticidi per il controllo di molte specie dannose, al fine di garantire un’agricoltura più precisa e sicura.

1. Eurostat, 2007. The use of plant protection products in the European Union. Data 1992–2003. Downloadable web source: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/cache/ITY_OFFPUB/KS-76-06-669/EN/KS-76-06-669-EN.PDF
2. Damalas, C.A. and Eleftherohorinos, I.G., 2011. Pesticide exposure, safety issues, and risk assessment indicators. International journal of environmental research and public health, 8(5), pp.1402-1419
3. Ehler, L.E., 2006. Integrated pest management (IPM): definition, historical development and implementation, and the other IPM. Pest management science, 62(9), pp.787-789
4. Foster and, S.P. and Harris, M.O., 1997. Behavioral manipulation methods for insect pest-management. Annual review of entomology, 42(1), pp.123-146
5. World Health Organization, 1990. Public health impact of pesticides used in agriculture
6. Stenberg, J.A., 2017. A conceptual framework for integrated pest management. Trends in plant science, 22(9), pp.759-769
7. Polajnar, J., Eriksson, A., Lucchi, A., Anfora, G., Virant‐Doberlet, M. and Mazzoni, V., 2015. Manipulating behaviour with substrate‐borne vibrations–potential for insect pest control. Pest management science, 71(1), pp.15-23
8. Ridgway, R.L., Silverstein, R.M. and Inscoe, M.N., 1990. Behavior-modifying chemicals for insect management. Applications of pheromones and other attractants. Marcel Deckker Inc., New York, 780pp
9. Tumlinson, J.H., Heath, R.R. and Teal, P.E.A., 1982. Analysis of chemical communication systems of Lepidoptera. In Insect Pheromone Technology: Chemistry and Applications. ACS Symposium Series, Vol. 190, pp. 1-25
10. Gogala, M., 1995. Songs of four cicada species from Thailand. Bioacoustics, 6(2), pp.101-116
11. Cocroft, R.B. and Rodríguez, R.L., 2005. The behavioral ecology of insect vibrational communication. Bioscience, 55(4), pp.323-334
12. Virant-Doberlet, M., and Čokl, A., 2004. Vibrational communication in insects. Neotrop Entomol, 33(2):121–134
13. Hill, P.S., Virant-Doberlet, M. and Wessel, A., 2019. What Is Biotremology?. In Biotremology: Studying Vibrational Behavior (pp. 15-25). Springer, Cham
14. Mencinger-Vračko, B. and Devetak, D., 2008. Orientation of the pit-building antlion larva Euroleon (Neuroptera, Myrmeleontidae) to the direction of substrate vibrations caused by prey. Zoology, 111(1), pp.2-8
15. Klärner, D. and Barth, F.G., 1982. Vibratory signals and prey capture in orb-weaving spiders (Zygiella x-notata, Nephila clavipes; Araneidae). Journal of comparative physiology, 148(4), pp.445-455
16. Chuche, J. and Thiéry, D., 2014. Biology and ecology of the Flavescence dorée vector Scaphoideus titanus: a review. Agronomy for sustainable development, 34(2), pp.381-403
17. Mazzoni, V., Nieri, R., Eriksson, A., Virant-Doberlet, M., Polajnar, J., Anfora, G. and Lucchi, A., 2019. Mating Disruption by Vibrational Signals: State of the Field and Perspectives. In Biotremology: Studying Vibrational Behavior (pp. 331-354). Springer, Cham
18. Eriksson, A., Anfora, G., Lucchi, A., Lanzo, F., Virant-Doberlet, M. and Mazzoni, V., 2012. Exploitation of insect vibrational signals reveals a new method of pest management. PLoS One, 7(3), p.e32954
19. Bariselli, M., Bugiani, R. and Maistrello, L., 2016. Distribution and damage caused by Halyomorpha halys in Italy. Eppo Bulletin, 46(2), pp.332-334
20. Mazzoni, V., Polajnar, J., Baldini, M., Stacconi, M.V.R., Anfora, G., Guidetti, R. and Maistrello, L., 2017. Use of substrate-borne vibrational signals to attract the brown marmorated stink bug, Halyomorpha halys. Journal of pest science, 90(4), pp.1219-1229
21. Polajnar, J., Maistrello, L., Ibrahim, A. and Mazzoni, V., 2019. Can Vibrational Playback Improve Control of an Invasive Stink Bug?. In Biotremology: Studying Vibrational Behavior (pp. 375-398). Springer, Cham.
22. Gordon, S.D. and Krugner, R., 2019. Mating Disruption by Vibrational Signals: Applications for Management of the Glassy-Winged Sharpshooter. In Biotremology: Studying Vibrational Behavior (pp. 355-373). Springer, Cham.
23. Mankin, R.W., 2019. Vibrational Trapping and Interference with Mating of Diaphorina citri. In Biotremology: Studying Vibrational Behavior (pp. 399-413). Springer, Cham
24. Takanashi, T., Uechi, N. and Tatsuta, H., 2019. Vibrations in hemipteran and coleopteran insects: behaviors and application in pest management. Applied Entomology and Zoology, 54(1), pp.21-29
25. Michelsen, A., Fink, F., Gogala, M. and Traue, D., 1982. Plants as transmission channels for insect vibrational songs. Behavioral ecology and sociobiology, 11(4), pp.269-281

Sabina Avosani

Sabina Avosani

Dottoranda presso l’Università degli Studi di Trento, svolge la sua attività di ricerca in Entomologia Agraria presso la Fondazione Edmund Mach (Trento). Tra i suoi obiettivi ci sono lo studio della comunicazione vibrazionale degli insetti e il potenziale utilizzo di segnali meccanici per il controllo di specie dannose. Attualmente si sta occupando della sputacchina che trasmette Xylella fastidiosa nell’ulivo e di una psilla che attacca le Solanacee.

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Tenere sotto controllo le popolazioni di insetti dannosi mediante vibrazioni trasmesse alle piante, come funziona questa strategia?

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Gli insetti che potrebbero essere tenuti sotto controllo mediante vibrazioni fanno per lo più parte della famiglia degli emitteri. Quale potrebbe essere la ragione?

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