Utveckling av ett utfodringsanalyssystem för att utvärdera fytokemikaliers insekticida effekt på Helicoverpa armigera
Summary
Detta protokoll beskriver den obligatoriska utfodringsanalysen för att utvärdera den potentiellt toxiska effekten av en fytokemikalie på fjärilsarternas insektslarver. Detta är en mycket skalbar insektsbioassay, lätt att optimera den subletala och dödliga dosen, avskräckande aktivitet och fysiologisk effekt. Detta skulle kunna användas för att screena miljövänliga insekticider.
Abstract
Helicoverpa armigera, en fjärilsinsekt, är en polyfag skadegörare med en världsomspännande utbredning. Denna växtätande insekt är ett hot mot växter och jordbrukets produktivitet. Som svar producerar växter flera fytokemikalier som påverkar insektens tillväxt och överlevnad negativt. Detta protokoll demonstrerar en obligatorisk utfodringsanalysmetod för att utvärdera effekten av en fytokemikalie (quercetin) på insekters tillväxt, utveckling och överlevnad. Under kontrollerade förhållanden hölls de nyfödda kvar fram till den andra stjärnan på en fördefinierad konstgjord diet. Dessa andrastjärnlarver fick livnära sig på en kontroll- och quercetininnehållande konstgjord diet i 10 dagar. Insekternas kroppsvikt, utvecklingsstadium, frassvikt och dödlighet registrerades varannan dag. Förändringen i kroppsvikt, skillnaden i utfodringsmönster och utvecklingsfenotyper utvärderades under hela analystiden. Den beskrivna obligatoriska utfodringsmetoden simulerar ett naturligt intagssätt och kan skalas upp till ett stort antal insekter. Det gör det möjligt att analysera fytokemikaliernas effekt på tillväxtdynamiken, utvecklingsövergången och den övergripande konditionen hos H. armigera. Dessutom kan denna inställning också användas för att utvärdera förändringar i näringsparametrar och matsmältningsfysiologiska processer. Den här artikeln ger en detaljerad metodik för utfodringsanalyssystem, som kan ha tillämpningar i toxikologiska studier, screening av insekticida molekyler och förståelse av kemiska effekter i växt-insektsinteraktioner.
Introduction
De biotiska faktorer som påverkar grödans produktivitet är främst patogener och skadegörare. Flera skadeinsekter orsakar 15–35 % av förlusten av jordbruksgrödor och påverkar den ekonomiska hållbarheten1. Insekter som tillhör ordningarna Coleoptera, Hemiptera och Lepidoptera är de största ordningarna av förödande skadedjur. Miljöns mycket anpassningsbara natur har gynnat fjärilar i utvecklingen av flera överlevnadsmekanismer. Bland fjärilsinsekter kan Helicoverpa armigera (bomullsbollmask) livnära sig på cirka 180 olika grödor och orsaka betydande skador på deras reproduktiva vävnader. Över hela världen har angrepp av H. armigera resulterat i en förlust på cirka 5 miljarder dollar3. Bomull, kikärter, duvärter, tomater, solrosor och andra grödor är värdar för H. armigera. Den fullbordar sin livscykel på olika delar av värdväxter. Ägg som läggs av kvinnliga malar kläcks på bladen, följt av att de livnär sig på vegetativa vävnader under larvstadiet. Larvstadiet är det mest destruktiva på grund av dess glupska och mycket anpassningsbara natur 4,5. H. armigera visar en global utbredning och intrång i nya territorier på grund av dess anmärkningsvärda egenskaper, såsom polyfagi, utmärkt migrationsförmåga, högre fruktsamhet, stark diapaus och uppkomsten av resistens mot befintliga insektsbekämpningsstrategier6.
Olika kemiska molekyler från terpener, flavonoider, alkaloider, polyfenoler, cyanogena glukosider och många andra används i stor utsträckning för kontroll av H. armigera-angrepp 7. Frekvent applicering av kemiska molekyler ger dock negativa effekter på miljön och människors hälsa på grund av förvärvet av deras rester. De visar också en skadlig effekt på olika skadedjurspredatorer, vilket resulterar i en ekologisk obalans 8,9. Därför finns det ett behov av att undersöka säkra och miljövänliga alternativ för kemiska molekyler för skadedjursbekämpning.
Naturliga insekticidmolekyler som produceras av växter (fytokemikalier) kan användas som ett lovande alternativ till kemiska bekämpningsmedel. Dessa fytokemikalier omfattar olika sekundära metaboliter som tillhör klasserna alkaloider, terpenoider och fenoler 7,10. Quercetin är en av de vanligaste flavonoiderna (fenolförening) som finns i olika spannmål, grönsaker, frukter och blad. Den visar utfodring avskräckande och insekticid aktivitet mot insekter; Det är inte heller skadligt för naturliga fiender till skadedjur11,12. Således demonstrerar detta protokoll utfodringsanalysen med quercetin för att bedöma dess toxiska effekt på H. armigera.
Olika bioanalysmetoder har utvecklats för att utvärdera effekten av naturliga och syntetiska molekyler på en insekts födointag, tillväxt, utveckling och beteendemönster13. Vanligt använda metoder inkluderar bladskivanalys, val matningsanalys, droppmatningsanalys, kontaktanalys, diettäckande analys och obligatorisk matningsanalys13,14. Dessa metoder klassificeras utifrån hur bekämpningsmedel appliceras på insekter. Den obligatoriska utfodringsanalysen är en av de vanligaste, känsliga, enkla och anpassningsbara metoderna för att testa troliga insekticider och deras dödliga dos14. I en obligatorisk utfodringsanalys blandas molekylen av intresse med en konstgjord diet. Detta ger konsekvens och kontroll över kostsammansättningen, vilket genererar robusta och reproducerbara resultat. Viktiga variabler som påverkar utfodringsanalyser är insektens utvecklingsstadium, val av insektsmedel, miljöfaktorer och provstorlek. Analysens varaktighet, intervallet mellan två dataregistreringar, frekvens och mängd av utfodring, insekternas hälsa och operatörernas hanteringsförmåga kan också påverka resultatet av utfodringsanalyser14,15.
Denna studie syftar till att demonstrera den obligatoriska utfodringsanalysen för att utvärdera effekten av quercetin på H. armigera överlevnad och fitness. Bedömning av olika parametrar, såsom insekters kroppsvikt, dödlighet och utvecklingsdefekter, kommer att ge insikter om de insekticida effekterna av quercetin. Samtidigt kommer mätning av näringsparametrar, inklusive effektiviteten av omvandling av intagen mat (ECI), effektiviteten av omvandling av smält mat (ECD) och ungefärlig smältbarhet (AD), att belysa quercetins antifeedantegenskaper.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bioanalyser i laboratorier är användbara för att förutsäga resultat och producera jämförande toxicitetsdata för flera föreningar på kort tid till en rimlig kostnad. Utfodringsbioassay hjälper till att tolka interaktionerna mellan insekt-insekticid och insekt-växt-insekticider. Det är en effektiv metod för att mäta toxiciteten hos en mängd olika ämnen som avsevärt förenklar processen för att fastställa den dödliga dosen 50 (LD50), den dödliga koncentrationen 50 (LC50) eller nå…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SM, YP och VN erkänner stipendiet som tilldelats av University Grants Commission, Government of India, New Delhi. RJ tackar Council of Scientific and Industrial Research (CSIR), Indien, och CSIR-National Chemical Laboratory, Pune, Indien, för ekonomiskt stöd under projektkoderna MLP036626, MLP101526 och YSA000826.
Materials
| Agar Agar | Himedia | RM666 | Solidifying agent |
| Ascorbic acid | Himedia | CMS1014 | Vitamin C source |
| Bengal Gram | NA | NA | Protein and carbohydrate source |
| Casein | Sigma | C-5890 | Protein source |
| Cholesterol | Sisco Research Laboratories | 34811 | Fatty acid source |
| Choline Chloride | Himedia | GRM6824 | Ammonium salt |
| DMSO | Sigma | 67-68-5 | Solvent |
| GraphPad Prism v8.0 | https://www.graphpad.com/guides/prism/latest/user-guide/using_choosing_an_analysis.htm | ||
| Methyl Paraben | Himedia | GRM1291 | Antifungal agent |
| Multivitamin capsule | GalaxoSmithKline | NA | Vitamin source |
| Quercetin | Sigma | Q4951-10G | Phytochemical |
| Sorbic Acid | Himedia | M1880 | Antimicrobail agent |
| Streptomycin | Himedia | CMS220 | Antibiotic |
| Vitamin E capsule | Nukind Healthcare | NA | Vitamin E source |
| Yeast Extract | Himedia | RM027 | Amino acid source |
References
- Popp, J., Pető, K., Nagy, J. Pesticide productivity and food security. A review. Agronomy for Sustainable Development. 33 (1), 243-255 (2013).
- da Silva, F. R., et al. Comparative toxicity of Helicoverpa armigera and Helicoverpa zea (Lepidoptera: Noctuidae) to selected insecticides. Insects. 11 (7), 431 (2020).
- Usman, A., Ali, M. I., Shah, M., e Amin, F., Sarwar, J. Comparative efficacy of indigenous plant extracts and a synthetic insecticide for the management of tomato fruit worm (Helicoverpa armigera Hub.) and their effect on natural enemies in tomato crop. Pure and Applied Biology. 7 (3), 1014-1020 (2018).
- Honnakerappa, S. B., Udikeri, S. S. Abundance of Helicoverpa armigera (Hubner) on different host crops. Journal of Farm Science. 31, 436-439 (2018).
- Edosa, T. T. Review on bio-intensive management of African bollworm, Helicoverpa armigera (Hub.): Botanicals and semiochemicals perspectives. African Journal of Agricultural Research. 14 (1), 1-9 (2019).
- Zhou, Y., et al. Migratory Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae) exhibits marked seasonal variation in morphology and fitness. Environmental Entomology. 48 (3), 755-763 (2019).
- Souto, A. L., et al. Plant-derived pesticides as an alternative to pest management and sustainable agricultural production: Prospects, applications and challenges. Molecules. 26 (16), 4835 (2021).
- Özkara, A., Akyıl, D., Konuk, M. Pesticides, environmental pollution, and health. Environmental Health Risk-Hazardous Factors to Living Species. , (2016).
- Alengebawy, A., Abdelkhalek, S. T., Qureshi, S. R., Wang, M. -. Q. Heavy metals and pesticides toxicity in agricultural soil and plants: Ecological risks and human health implications. Toxics. 9 (3), 42 (2021).
- Tlak Gajger, I., Dar, S. A. Plant allelochemicals as sources of insecticides. Insects. 12 (3), 189 (2021).
- Riddick, E. W. Potential of quercetin to reduce herbivory without disrupting natural enemies and pollinators. Agriculture. 11 (6), 476 (2021).
- Gao, Y. -. L., et al. The effect of quercetin on the growth, development, nutrition utilization, and detoxification enzymes in Hyphantria cunea Drury (Lepidoptera: Arctiidae). Forests. 13 (11), 1945 (2022).
- Durmuşoğlu, E., Hatipoğlu, A., Gürkan, M. O., Moores, G. Comparison of different bioassay methods for determining insecticide resistance in European Grapevine Moth, Lobesia botrana (Denis & Schiffermüller) (Lepidoptera: Tortricidae). Turkish Journal of Entomology. 39 (3), 271-276 (2015).
- Paramasivam, M., Selvi, C. Laboratory bioassay methods to assess the insecticide toxicity against insect pests-A review. Journal of Entomology and Zoology Studies. 5 (3), 1441-1445 (2017).
- Clark, E. L., Isitt, R., Plettner, E., Fields, P. G., Huber, D. P. W. An inexpensive feeding bioassay technique for stored-product insects. Journal of Economic Entomology. 107 (1), 455-461 (2014).
- Waldbauer, G. P., Cohen, R. W., Friedman, S. An improved procedure for laboratory rearing of the corn earworm, Heliothis zea (Lepidoptera: Noctuidae). The Great Lakes Entomologist. 17 (2), 10 (2017).
- Friesen, K., Berkebile, D. R., Zhu, J. J., Taylor, D. B. Laboratory rearing of stable flies and other muscoid Diptera. JoVE. (138), e57341 (2018).
- Zheng, M. -. L., Zhang, D. -. J., Damiens, D. D., Lees, R. S., Gilles, J. R. L. Standard operating procedures for standardized mass rearing of the dengue and chikungunya vectors Aedes aegypti and Aedes albopictus (Diptera: Culicidae)-II-Egg storage and hatching. Parasites & Vectors. 8, 1-7 (2015).
- Nagarkatti, S., Prakash, S. Rearing Heliothis armigera (Hubn.) on an artificial diet. Technical Bulletin Commonwealth Institute of Biological Control. , (1974).
- Adhav, A. S., Kokane, S. R., Joshi, R. S. Functional characterization of Helicoverpa armigera trehalase and investigation of physiological effects caused due to its inhibition by Validamycin A formulation. International Journal of Biological Macromolecules. 112, 638-647 (2018).
- Abbasi, B. H., et al. Rearing the cotton bollworm, Helicoverpa armigera, on a tapioca-based artificial diet. Journal of Insect Science. 7 (1), 35 (2007).
- Armes, N. J., Jadhav, D. R., Bond, G. S., King, A. B. S. Insecticide resistance in Helicoverpa armigera in South India. Pesticide Science. 34 (4), 355-364 (1992).
- Waldbauer, G. P. The consumption and utilization of food by insects. Advances in Insect Physiology. 5, 229-288 (1968).
- Carpinella, M. C., Defago, M. T., Valladares, G., Palacios, S. M. Antifeedant and insecticide properties of a limonoid from Melia azedarach (Meliaceae) with potential use for pest management. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 51 (2), 369-374 (2003).
- Diaz Napal, G. N., Palacios, S. M. Bioinsecticidal effect of the flavonoids pinocembrin and quercetin against Spodoptera frugiperda. Journal of Pest Science. 88, 629-635 (2015).
- ffrench-Constant, R. H., Roush, R. T. Resistance detection and documentation: the relative roles of pesticidal and biochemical assays. Pesticide Resistance in Arthropods. , 4-38 (1990).
- Gikonyo, N. K., Mwangi, R. W., Midiwo, J. O. Toxicity and growth-inhibitory activity of Polygonum senegalense (Meissn.) surface exudate against Aedes aegypti larvae. International Journal of Tropical Insect Science. 18 (3), 229-234 (1998).
- Sharma, R., Sohal, S. K. Bioefficacy of quercetin against melon fruit fly. Bulletin of Insectology. 66 (1), 79-83 (2013).
- Després, L., David, J. -. P., Gallet, C. The evolutionary ecology of insect resistance to plant chemicals. Trends in Ecology & Evolution. 22 (6), 298-307 (2007).
- Shi, G., Kang, Z., Ren, F., Zhou, Y., Guo, P. Effects of quercetin on the growth and expression of immune-pathway-related genes in silkworm (Lepidoptera: Bombycidae). Journal of Insect Science. 20 (6), 23 (2020).
- Selin-Rani, S., et al. Toxicity and physiological effect of quercetin on generalist herbivore, Spodoptera litura Fab. and a non-target earthworm Eisenia fetida Savigny. Chemosphere. 165, 257-267 (2016).
- Ateyyat, M., Abu-Romman, S., Abu-Darwish, M., Ghabeish, I. Impact of flavonoids against woolly apple aphid, Eriosoma lanigerum (Hausmann) and its sole parasitoid, Aphelinus mali (Hald). Journal of Agricultural Science. 4 (2), 227 (2012).
- Brito-Sierra, C. A., Kaur, J., Hill, C. A. Protocols for testing the toxicity of novel insecticidal chemistries to mosquitoes. JoVE. (144), e57768 (2019).
- Mitchell, C., Brennan, R. M., Graham, J., Karley, A. J. Plant defense against herbivorous pests: exploiting resistance and tolerance traits for sustainable crop protection. Frontiers in Plant Science. 7, 1132 (2016).
