Экспериментальное исследование зимовки колорадского жука в естественных условиях
Summary
Здесь мы представляем метод изучения зимней спячки колорадского жука в естественных условиях умеренного пояса, а также методику сбора жуков в зимний период. Этот метод позволяет получить нужное количество зимующих особей для различных анализов на любой стадии зимовки.
Abstract
Одним из основных вредителей картофеля Solanum tuberosum L. в умеренном поясе является насекомое колорадский жук (CPB). Большинство исследований иммунитета и заболеваний КПБ проводятся во время активных фаз кормления. Тем не менее, исследований стадий покоя меньше, хотя большую часть своего жизненного цикла эти жуки проводят в состоянии зимней диапаузы (спячки). В данной работе был разработан и апробирован метод исследования зимней спячки CPB в естественных условиях, дающий возможность собирать достаточное количество особей в зимний период. В данной статье была проведена оценка выживаемости при СЛБ, а также выявлены инфекционные агенты на разных стадиях спячки. Смертность КПБ увеличивалась во время зимней спячки, достигая максимума в апреле-мае. Из мертвых насекомых выделяли энтомопатогенные грибы (Beauveria, Isaria, Lecanicillium) и бактерии Bacillus, Sphingobacterium, Peribacillus, Pseudomonas и Serratia . Выживаемость жуков за весь период зимней спячки составила 61%. Замерзших или высохших жуков обнаружено не было, что свидетельствует об успешности представленного способа.
Introduction
Колорадский жук Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) является важным вредителем пасленовых растений, преимущественно картофеля Solanum tuberosum L. Ареал этого вида составляет более 16 млн.км2 и постояннорасширяется1. У ЦПБ факультативная зимняя диапауза, а зимняя спячка обязательна в умеренном поясе. Диапауза индуцируется фотопериодом короткого дня и модулируется температурой1. Зимуют эти жуки во взрослой стадии, закапываясь в почву. С увеличением широт продолжительность периода спячки увеличивается. В умеренном поясе, особенно на северных территориях ареала, зимовка длится до 9 месяцев: с августа-сентября по май-июнь (Носков и др., личные наблюдения). В этот период КПБ, как и любое другое насекомое умеренного пояса, подвергается воздействию неблагоприятных зимних условий и должен повысить свою холодостойкость. В то же время контакт жуков с почвой повышает риск заражения различными условно-патогенными микроорганизмами2. Поэтому этим жукам необходимо поддерживать определенный уровень активности иммунной системы во время зимней спячки, что также является энергетически затратным. Тем не менее, даже если насекомое переживет инфекцию, болезнь может снизить его морозостойкость3. Следует отметить, что низкая температура – не единственная причина зимней смертности ЦПБ. Немаловажную роль играет и недостаток кислорода, а при некоторых условиях он может быть основным фактором зимней смертности 4,5.
Известно, что естественная зимняя смертность ЦПБ может быть очень высокой, достигая 100% на глинистых суглинистых почвах6. Таким образом, перезимовка является одним из самых ответственных периодов в жизненном цикле ЦПБ. Тем не менее, данные о физиологии, активности иммунной системы, выживаемости и других параметрах спячки КПБ в естественных условиях все еще ограничены. Имеются исследования дифференциальной экспрессии генов и различных физиологических параметров у взрослых с СЛБ в период диапаузы и в ответ на холодовой шок 7,8,9,10,11,12; Тем не менее, эти анализы в основном проводились путем индукции диапаузы или холодового стресса в лабораторных условиях без естественных колебаний температуры, влажности и нативной патогенной нагрузки. Тем не менее, исследования физиологии этих жуков, собранных при выкапывании из почвы в естественных условиях, являются важными. В 1970-1980-е гг. активно изучались различные аспекты зимовки ЦПБ в естественных условиях 13,14,15,16,17,18. С другой стороны, эти исследования не предполагали выемки КПБ из почвы в зимний период. Кроме того, подробно не приведена методика контролируемой спячки КПБ и описание клеток. Таким образом, необходимо изучение физиологии зимовки КПБ в естественных условиях19.
Целью данного исследования являлась разработка и апробация метода контролируемой спячки взрослых особей КПБ в естественных условиях. Предложенный метод позволяет получить желаемое количество особей КПБ для микробиологических, иммунологических и других исследований в период зимней спячки в полевых условиях континентального климата. Этот метод может быть адаптирован и применен к другим видам насекомых, зимующих в почве под снегом.
Protocol
Representative Results
Discussion
Проведенное исследование показывает, что предложенный метод изучения зимовки ЦПБ позволяет получить достаточное количество насекомых в разные периоды спячки. Успех представленной техники зависит от нескольких независимых факторов, важнейшим из которых являются погодные условия. В ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Благодарим наших коллег Владимира Шило, Веру Морозову, Ульяну Роцкую, Ольгу Поленогову и Оксану Томилову за помощь в организации и проведении полевых и лабораторных процедур.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект No 22-14-00309.
Materials
| Agar-agar bacteriological purified | diaGene | 1806.5000 | |
| Bile Esculin Agar | HiMedia | M972 | |
| Endo Agar | HiMedia | M029 | |
| Glucose monohydrate-D | PanReac Applichem | 143140.1000Φ | |
| Lactic acid | PanReac Applichem | 141034.1211 | |
| Luria-Bertani liquid medium | HiMedia | G009 | |
| 15 ml conical centrifuge tubes | Axygen | SCT-15ML-25-S | |
| Peptone | FBIS SRCAMB | M 030/O61 |
|
| Phosphate buffered saline | Medigen | PBS500 | |
| Temperatutre and humidity datalogger Ecklerk-M-11 | Relsib | Waterproof datalogger |
Riferimenti
- Alyokhin, A., Benkovskaya, G., Udalov, M. Colorado potato beetle. Insect Pests of Potato. , 29-43 (2022).
- Alyokhin, A., Kryukov, V. Ecology of a potato field. Insect Pests of Potato. , 451-462 (2022).
- Lee Jr, R. E., Costanzo, J. P., Kaufman, P. E., Lee, M. R., Wyman, J. A. Ice-nucleating active bacteria reduce the cold-hardiness of the freeze-intolerant Colorado potato beetle (Coleoptera: Chrysomelidae). Journal of Economic Entomology. 87 (2), 377-381 (1994).
- Ushatinskaja, R. S. Diapause of insects and its modifications. Journal of General Biology. 34, 194-215 (1973).
- Zheng, X. L., et al. Effect of soil moisture on overwintering pupae in Spodopteraexigua (Lepidoptera: Noctuidae). Applied Entomology and Zoology. 48, 365-371 (2013).
- Hiiesaar, K., Metspalu, L., Jõudu, J., Jõgar, K. Over-wintering of the Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) in field conditions and factors affecting its population density in Estonia. Agronomy Research. 4 (1), 21-30 (2006).
- Yocum, G. D., Rinehart, J. P., Chirumamilla-Chapara, A., Larson, M. L. Characterization of gene expression patterns during the initiation and maintenance phases of diapause in the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata. Journal of Insect Physiology. 55 (1), 32-39 (2009).
- Yocum, G. D., Buckner, J. S., Fatland, C. L. A comparison of internal and external lipids of nondiapausing and diapause initiation phase adult Colorado potato beetles, Leptinotarsa decemlineata. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology. 159 (3), 163-170 (2011).
- Nikonorov, Y. M., Syrtlanova, L. A., Kitaev, K. A., Benkovskaya, G. V. Transcription activity of genes involved in diapause regulation in the Colorado Potato beetle and its change under a fipronil impact. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 8, 80-86 (2018).
- Govaere, L., et al. Transcriptome and proteome analyses to investigate the molecular underpinnings of cold response in the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata. Cryobiology. 88, 54-63 (2019).
- Lehmann, P., Westberg, M., Tang, P., Lindström, L., Käkelä, R. The diapause lipidomes of three closely related beetle species reveal mechanisms for tolerating energetic and cold stress in high-latitude seasonal environments. Frontiers in Physiology. 11, 576617 (2020).
- Lebenzon, J. E., Torson, A. S., Sinclair, B. J. Diapause differentially modulates the transcriptomes of fat body and flight muscle in the Colorado potato beetle. Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics. 40, 100906 (2021).
- Lashomb, J. H., Ng, Y. S., Ghidiu, G., Green, E. Description of spring emergence by the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata (Say) (Coleoptera: Chrysomelidae), in New Jersey. Environmental entomology. 13 (3), 907-910 (1984).
- Cantwell, G. E., Cantelo, W. W., Schroder, R. F. Effect of Beauveria bassiana on underground stages of the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata (Coleoptera: Chrysomelidae). The Great Lakes Entomologist. 19 (2), 6 (1986).
- Fedorko, A., Bajan, C., Kmitowa, K., Wojciehowska, M. Effectiveness of the use of selected microorganisms to control the Colorado beetle during hibernation. Ecological Studies. 3 (2), 127-134 (1977).
- Gaugler, R., Costa, S. D., Lashomb, J. Stability and efficacy of Beauveria bassiana soil inoculations. Environmental Entomology. 18 (3), 412-417 (1989).
- Bajan, C., Kmitowa, K. Contribution of entomopathogenic fungi to the natural winter reduction of Colorado beetle adults. Polish Ecological Studies. 3 (2), 107-114 (1977).
- Milner, M., Kung, K. S., Wyman, J. A., Feldman, J., Nordheim, E. Enhancing overwintering mortality of Colorado potato beetle (Coleoptera: Chrysomelidae) by manipulating the temperature of its diapause habitat. Journal of Economic Entomology. 85 (5), 1701-1708 (1992).
- Doğan, C., et al. Characterization of calcium signaling proteins from the fat body of the Colorado Potato Beetle, Leptinotarsa decemlineata (Coleoptera: Chrysomelidae): Implications for diapause and lipid metabolism. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 133, 103549 (2021).
- Benkovskaya, G. V., Udalov, M. B. Colorado potato beetle investigations in the south Urals. Nova Science Publishers. , (2011).
- Short, C. A., Hahn, D. A. Fat enough for the winter? Does nutritional status affect diapause. Journal of Insect Physiology. , 104488 (2023).
- McDonald, J. R., Bale, J. S., Walters, K. F. A. Low-temperature mortality and overwintering of the western flower thrips Frankliniella occidentalis (Thysanoptera: Thripidae). Bulletin of Entomological Research. 87 (5), 497-505 (1997).
