Utvikle et fôringsanalysesystem for evaluering av den insekticide effekten av fytokjemikalier på Helicoverpa armigera
Summary
Denne protokollen beskriver den obligatoriske fôringsanalysen for å evaluere den potensielt toksiske effekten av et fytokjemikalie på lepidopteraninsektlarver. Dette er en svært skalerbar insektbioassay, lett å optimalisere den subletale og dødelige dosen, avskrekkende aktivitet og fysiologisk effekt. Dette kan brukes til screening av miljøvennlige insektmidler.
Abstract
Helicoverpa armigera, et lepidopteran insekt, er et polyfagøst med en verdensomspennende distribusjon. Dette plantelevende insektet er en trussel mot planter og landbruksproduktivitet. Som svar produserer planter flere fytokjemikalier som negativt påvirker insektets vekst og overlevelse. Denne protokollen demonstrerer en obligatorisk fôringsanalysemetode for å evaluere effekten av et fytokjemisk (quercetin) på insektvekst, utvikling og overlevelse. Under kontrollerte forhold ble de nyfødte opprettholdt til den andre stjernen på en forhåndsdefinert kunstig diett. Disse andre instar larver fikk lov til å mate på en kontroll og quercetin-inneholdende kunstig diett i 10 dager. Insektenes kroppsvekt, utviklingsstadium, frassvekt og dødelighet ble registrert annenhver dag. Endringen i kroppsvekt, forskjellen i fôringsmønster og utviklingsfenotyper ble evaluert gjennom analysetiden. Den beskrevne obligatoriske fôringsanalysen simulerer en naturlig inntaksmodus og kan skaleres opp til et stort antall insekter. Det tillater en å analysere fytokjemikaliers effekt på vekstdynamikken, utviklingsovergangen og den generelle kondisjonen til H. armigera. Videre kan dette oppsettet også brukes til å evaluere endringer i ernæringsparametere og fordøyelsesfysiologiske prosesser. Denne artikkelen gir en detaljert metodikk for fôringsanalysesystemer, som kan ha anvendelser i toksikologiske studier, insekticid molekylscreening og forståelse av kjemiske effekter i plante-insektinteraksjoner.
Introduction
De biotiske faktorene som påvirker avlingens produktivitet er hovedsakelig patogene midler og. Flere forårsaker 15% til 35% av avlingstapet i landbruket og påvirker økonomisk bærekraftspraksis1. Insekter som tilhører ordrene Coleoptera, Hemiptera og Lepidoptera er de viktigste ordrene av ødeleggende. Miljøets svært tilpasningsdyktige natur har vært til nytte for lepidopteraner i utviklingen av flere overlevelsesmekanismer. Blant lepidopteraninsekter kan Helicoverpa armigera (bomullsbollorm) spise rundt 180 forskjellige avlinger og forårsake betydelig skade på reproduksjonsvevet2. På verdensbasis har H. armigera-angrep resultert i et tap på rundt 5 milliarder dollar3. Bomull, kikerter, duerter, tomater, solsikker og andre avlinger er verter for H. armigera. Den fullfører livssyklusen på forskjellige deler av vertsplanter. Egg lagt av kvinnelige møll blir klekket på bladene, etterfulgt av deres fôring på vegetativt vev under larvestadier. Larvestadiet er det mest ødeleggende på grunn av sin glupske og svært tilpasningsdyktige natur 4,5. H. armigera viser en global distribusjon og inngrep i nye territorier på grunn av sine bemerkelsesverdige egenskaper, som polyfagi, gode trekkevner, høyere fruktbarhet, sterk diapause og fremveksten av motstand mot eksisterende insektkontrollstrategier6.
Ulike kjemiske molekyler fra terpener, flavonoider, alkaloider, polyfenoler, cyanogene glukosider, og mange andre er mye brukt for kontroll av H. armigera angrep7. Imidlertid gir hyppig bruk av kjemiske molekyler negative effekter på miljøet og menneskers helse på grunn av oppkjøpet av rester. De viser også en skadelig effekt på ulike skadedyrsrovdyr, noe som resulterer i en økologisk ubalanse 8,9. Derfor er det nødvendig å undersøke sikre og miljøvennlige alternativer for kjemiske molekyler av skadedyrsbekjempelse.
Naturlige insektdrepende molekyler produsert av planter (fytokjemikalier) kan brukes som et lovende alternativ til kjemiske plantevernmidler. Disse fytokjemikaliene inkluderer forskjellige sekundære metabolitter som tilhører klassene alkaloider, terpenoider og fenoler 7,10. Quercetin er en av de mest tallrike flavonoider (fenolforbindelse) som finnes i forskjellige korn, grønnsaker, frukt og blader. Det viser fôring avskrekkende og insekticid aktivitet mot insekter; Det er heller ikke skadelig for naturlige fiender av11,12. Dermed demonstrerer denne protokollen fôringsanalysen ved bruk av quercetin for å vurdere dens toksiske effekt på H. armigera.
Ulike bioassay-metoder er utviklet for å evaluere effekten av naturlige og syntetiske molekyler på et insekts fôring, vekst, utvikling og atferdsmønstre13. Vanlige metoder inkluderer bladskiveanalysen, valgfôringsanalysen, dråpefôringsanalysen, kontaktanalysen, diettdekkende analyse og obligatorisk fôringsanalyse13,14. Disse metodene er klassifisert basert på hvordan plantevernmidler brukes på insekter. Den obligatoriske fôringsanalysen er en av de mest brukte, sensitive, enkle og tilpasningsdyktige metodene for å teste sannsynlige insektmidler og deres dødelige dose14. I en obligatorisk fôringsanalyse blandes molekylet av interesse med et kunstig diett. Dette gir konsistens og kontroll over diettsammensetningen, og genererer robuste og reproduserbare resultater. Viktige variabler som påvirker fôringsanalyser er insektets utviklingsstadium, valg av insektmiddel, miljøfaktorer og prøvestørrelse. Varigheten av analysen, intervallet mellom to dataregistreringer, frekvens og mengde diett matet, helsen til insekter og håndteringsferdigheter hos operatørene kan også påvirke utfallet av fôringsanalyser14,15.
Denne studien tar sikte på å demonstrere den obligatoriske fôringsanalysen for å evaluere effekten av quercetin på H. armigera overlevelse og kondisjon. Vurdering av ulike parametere, som insektets kroppsvekt, dødelighet og utviklingsdefekter, vil gi innsikt i de insekticide effektene av quercetin. I mellomtiden vil måling av ernæringsparametere, inkludert effektiviteten av konvertering av inntatt mat (ECI), effektivitet av konvertering av fordøyd mat (ECD) og omtrentlig fordøyelighet (AD), fremheve antifeedantegenskapene til quercetin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Laboratoriebioassays er nyttige for å forutsi utfall og produsere komparative toksisitetsdata på flere forbindelser på kort tid til en rimelig pris. Fôringsbioassay bidrar til å tolke samspillet mellom insekt-insektmiddel og insekt-plante-insektmidler. Det er en effektiv metode for å måle toksisiteten til en rekke stoffer som betydelig forenkler prosessen med å etablere den dødelige dosen 50 (LD50), dødelig konsentrasjon 50 (LC50) eller annen dødelig konsentrasjon eller dose<sup class="xr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SM, YP og VN anerkjenner stipendiet tildelt av University Grants Commission, Indias regjering, New Delhi. RJ anerkjenner Council of Scientific and Industrial Research (CSIR), India, og CSIR-National Chemical Laboratory, Pune, India, for økonomisk støtte under prosjektkodene MLP036626, MLP101526 og 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).
