تطوير نظام فحص التغذية لتقييم تأثير المبيدات الحشرية للمواد الكيميائية النباتية على Helicoverpa armigera
Summary
يصف هذا البروتوكول مقايسة التغذية الملزمة لتقييم التأثير السام المحتمل للمادة الكيميائية النباتية على يرقات الحشرات حرشفية الأجنحة. هذا اختبار حيوي للحشرات قابل للتطوير بدرجة كبيرة ، وسهل لتحسين الجرعة شبه المميتة والمميتة ، والنشاط الرادع ، والتأثير الفسيولوجي. يمكن استخدام هذا لفحص المبيدات الحشرية الصديقة للبيئة.
Abstract
Helicoverpa armigera ، حشرة حرشفية الأجنحة ، هي آفة متعددة الآفات ذات توزيع عالمي. هذه الحشرة العاشبة تشكل تهديدا للنباتات والإنتاجية الزراعية. ردا على ذلك ، تنتج النباتات العديد من المواد الكيميائية النباتية التي تؤثر سلبا على نمو الحشرة وبقائها. يوضح هذا البروتوكول طريقة فحص التغذية الملزمة لتقييم تأثير مادة كيميائية نباتية (كيرسيتين) على نمو الحشرات وتطورها وبقائها. في ظل ظروف خاضعة للرقابة ، تم الحفاظ على حديثي الولادة حتى المرحلة الثانية من نظام غذائي اصطناعي محدد مسبقا. سمح لهذه اليرقات الثانية بالتغذي على نظام غذائي اصطناعي يحتوي على كيرسيتين لمدة 10 أيام. تم تسجيل وزن جسم الحشرات ومرحلة نموها ووزن الفراس والوفيات في أيام متناوبة. تم تقييم التغير في وزن الجسم ، والفرق في نمط التغذية ، والأنماط الظاهرية التنموية طوال فترة الفحص. يحاكي فحص التغذية الإلزامي الموصوف طريقة طبيعية للابتلاع ويمكن توسيع نطاقه إلى عدد كبير من الحشرات. يسمح للمرء بتحليل تأثير المواد الكيميائية النباتية على ديناميكيات النمو ، والانتقال التنموي ، واللياقة العامة ل H. armigera. علاوة على ذلك ، يمكن أيضا استخدام هذا الإعداد لتقييم التغيرات في المعلمات الغذائية وعمليات فسيولوجيا الجهاز الهضمي. تقدم هذه المقالة منهجية مفصلة لأنظمة فحص التغذية ، والتي قد يكون لها تطبيقات في الدراسات السمية ، وفحص جزيئات المبيدات الحشرية ، وفهم التأثيرات الكيميائية في تفاعلات الحشرات النباتية.
Introduction
العوامل الحيوية التي تؤثر على إنتاجية المحاصيل هي أساسا العوامل المسببة للأمراض والآفات. تتسبب العديد من الآفات الحشرية في 15٪ إلى 35٪ من فقدان المحاصيل الزراعية وتؤثر على ممارسات الاستدامة الاقتصادية1. الحشرات التي تنتمي إلى رتبة غمدية الأجنحة ، Hemiptera ، و Lepidoptera هي الرتب الرئيسية للآفات المدمرة. استفادت الطبيعة التكيفية للغاية للبيئة من حرشفيات الأجنحة في تطوير العديد من آليات البقاء. من بين الحشرات حرشفية الأجنحة ، يمكن أن تتغذى Helicoverpa armigera (دودة اللوز القطنية) على حوالي 180 محصولا مختلفا وتسبب أضرارا كبيرة لأنسجتهاالتناسلية 2. في جميع أنحاء العالم ، أدت الإصابة ب H. armigera إلى خسارة حوالي 5 مليارات دولار3. القطن والحمص والبازلاء والطماطم وعباد الشمس وغيرها من المحاصيل هي مضيفات ل H. armigera. يكمل دورة حياته على أجزاء مختلفة من النباتات المضيفة. يفقس البيض الذي تضعه إناث العث على الأوراق ، يليه تغذيته على الأنسجة النباتية خلال مراحل اليرقات. مرحلة اليرقات هي الأكثر تدميرا بسبب طبيعتها الشرهة والقابلة للتكيف للغاية 4,5. يظهر H. armigera توزيعا عالميا وتعديا على مناطق جديدة بسبب سماته الرائعة ، مثل تعدد القطع ، وقدرات الهجرة الممتازة ، والخصوبة العالية ، والتوقف القوي ، وظهور مقاومة لاستراتيجيات مكافحة الحشرات الحالية6.
تستخدم على نطاق واسع جزيئات كيميائية متنوعة من التربينات والفلافونويد والقلويات والبوليفينول والجلوكوزيدات السيانوجينية وغيرها الكثير للسيطرة على الإصابة ب H. armigera 7. ومع ذلك ، فإن التطبيق المتكرر للجزيئات الكيميائية يضفي آثارا ضارة على البيئة وصحة الإنسان بسبب الحصول على بقاياها. أيضا ، فإنها تظهر تأثيرا ضارا على مختلف المفترسة للآفات ، مما يؤدي إلى اختلال التوازن البيئي 8,9. لذلك ، هناك ضرورة للتحقيق في خيارات آمنة وصديقة للبيئة للجزيئات الكيميائية لمكافحة الآفات.
يمكن استخدام جزيئات المبيدات الحشرية الطبيعية التي تنتجها النباتات (المواد الكيميائية النباتية) كبديل واعد للمبيدات الكيميائية. تشمل هذه المواد الكيميائية النباتية العديد من المستقلبات الثانوية التي تنتمي إلى فئات قلويدات ، تيربينويدات ، والفينولات7،10. كيرسيتين هو واحد من أكثر مركبات الفلافونويد وفرة (مركب الفينول) الموجودة في مختلف الحبوب والخضروات والفواكه والأوراق. يظهر نشاط التغذية الرادع والمبيدات الحشرية ضد الحشرات. أيضا ، أنها ليست ضارة للأعداء الطبيعيين للآفات11,12. وبالتالي ، يوضح هذا البروتوكول مقايسة التغذية باستخدام كيرسيتين لتقييم تأثيره السام على H. armigera.
تم تطوير طرق اختبار حيوي مختلفة لتقييم تأثير الجزيئات الطبيعية والاصطناعية على تغذية الحشرة ونموها وتطورها وأنماطها السلوكية13. تشمل الطرق الشائعة الاستخدام فحص قرص الأوراق ، وفحص التغذية بالاختيار ، ومقايسة تغذية القطيرات ، ومقايسة الاتصال ، وفحص تغطية النظام الغذائي ، ومقايسة التغذيةالملزمة 13،14. يتم تصنيف هذه الطرق بناء على كيفية تطبيق المبيدات على الحشرات. يعد اختبار التغذية الإلزامي أحد أكثر الطرق شيوعا وحساسية وبساطة وقابلية للتكيف لاختبار المبيدات الحشرية المحتملة وجرعتها المميتة14. في مقايسة التغذية الملزمة ، يتم خلط جزيء الاهتمام مع نظام غذائي اصطناعي. هذا يوفر الاتساق والتحكم في تكوين النظام الغذائي ، وتوليد نتائج قوية وقابلة للتكرار. المتغيرات المهمة التي تؤثر على فحوصات التغذية هي مرحلة نمو الحشرة ، واختيار المبيدات الحشرية ، والعوامل البيئية ، وحجم العينة. يمكن أن تؤثر مدة الفحص ، والفاصل الزمني بين تسجيلين للبيانات ، وتواتر وكمية النظام الغذائي الذي يتم تغذيته ، وصحة الحشرات ، ومهارة التعامل مع المشغلين أيضا على نتيجة فحوصات التغذية14,15.
تهدف هذه الدراسة إلى إظهار مقايسة التغذية الملزمة لتقييم تأثير الكيرسيتين على بقاء H. armigera واللياقة البدنية. سيوفر تقييم المعلمات المختلفة ، مثل وزن جسم الحشرات ومعدل الوفيات والعيوب التنموية ، نظرة ثاقبة لتأثيرات المبيدات الحشرية للكيرسيتين. وفي الوقت نفسه ، فإن قياس المعايير الغذائية ، بما في ذلك كفاءة تحويل الأغذية المبتلعة (ECI) ، وكفاءة تحويل الأغذية المهضومة (ECD) ، والهضم التقريبي (AD) ، سيسلط الضوء على السمات المضادة للتغذية للكيرسيتين.
Protocol
Representative Results
Discussion
المقايسات الحيوية المختبرية مفيدة للتنبؤ بالنتائج وإنتاج بيانات سمية مقارنة على عدة مركبات في فترة قصيرة بتكلفة معقولة. تساعد المقايسة الحيوية للتغذية على تفسير التفاعلات بين المبيدات الحشرية والمبيدات الحشرية ومبيدات الحشرات النباتية. إنها طريقة فعالة لقياس سمية مجموعة متنوعة من الم?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تعترف SM و YP و VN بالزمالة التي تمنحها لجنة المنح الجامعية ، حكومة الهند ، نيودلهي. تعترف الملكية الأردنية بمجلس البحوث العلمية والصناعية (CSIR) ، الهند ، و CSIR-National Chemical Laboratory ، بيون ، الهند ، للدعم المالي بموجب رموز المشاريع MLP036626 و MLP101526 و 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).
