פיתוח מערכת בדיקת האכלה להערכת ההשפעה קוטלת החרקים של פיטוכימיקלים על Helicoverpa armigera
Summary
פרוטוקול זה מתאר את בדיקת ההזנה המחייבת להעריך את ההשפעה הרעילה, פוטנציאלית, של פיטוכימיקל על זחלי החרקים הלפידופטרניים. זוהי בדיקה ביולוגית של חרקים בעלת יכולת הרחבה גבוהה, שקל לייעל את המינון התת-קטלני והקטלני, את פעילות ההרתעה ואת ההשפעה הפיזיולוגית. זה יכול לשמש להקרנת קוטלי חרקים ידידותיים לסביבה.
Abstract
Helicoverpa armigera, חרק lepidopteran, הוא מזיק polyphagous עם תפוצה עולמית. חרק אוכל עשב זה מהווה איום על הצמחים ועל התפוקה החקלאית. בתגובה, צמחים מייצרים מספר פיטוכימיקלים המשפיעים לרעה על גדילתו והישרדותו של החרק. פרוטוקול זה מדגים שיטת בדיקת הזנה מחייבת להערכת ההשפעה של פיטוכימיקל (קוורצטין) על גדילה, התפתחות והישרדות של חרקים. בתנאים מבוקרים, היילודים נשמרו עד הכוכב השני בתזונה מלאכותית מוגדרת מראש. זחלי הכוכב השני הורשו להיזון מתזונה מלאכותית המכילה קוורצטין במשך 10 ימים. משקל גופם של החרקים, שלב התפתחותם, משקלם ותמותתם תועדו בימים חלופיים. השינוי במשקל הגוף, ההבדל בדפוס ההזנה ופנוטיפים התפתחותיים הוערכו לאורך זמן הבדיקה. בדיקת האכלת החובה המתוארת מדמה מצב טבעי של בליעה וניתן להגדיל אותה למספר רב של חרקים. הוא מאפשר לנתח את השפעת הפיטוכימיקלים על דינמיקת הגדילה, המעבר ההתפתחותי והכושר הכללי של H. armigera. יתר על כן, מערך זה יכול לשמש גם להערכת שינויים בפרמטרים תזונתיים ובתהליכים פיזיולוגיים של מערכת העיכול. מאמר זה מספק מתודולוגיה מפורטת למערכות בדיקת הזנה, שעשויות להיות לה יישומים במחקרים טוקסיקולוגיים, סינון מולקולות קוטלי חרקים והבנת השפעות כימיות באינטראקציות בין צמחים לחרקים.
Introduction
הגורמים הביוטיים המשפיעים על פריון היבול הם בעיקר גורמים פתוגניים ומזיקים. מספר חרקים מזיקים גורמים ל-15% עד 35% מאובדן היבול החקלאי ומשפיעים על שיטות קיימות כלכלית1. חרקים השייכים למסדרים Coleoptera, Hemiptera, ו- Lepidoptera הם המסדר העיקרי של מזיקים הרסניים. הטבע המסתגל מאוד של הסביבה הועיל לפידופטרנים בפיתוח מספר מנגנוני הישרדות. בקרב חרקים לפידופטרניים, תולעת צמר גפן (Helicoverpa armigera) יכולה להיזון מכ-180 גידולים שונים ולגרום נזק משמעותי לרקמות הרבייה שלהם2. ברחבי העולם, התפשטות H. armigera גרמה להפסד של כ -5 מיליארד דולר3. כותנה, חומוס, אפונת יונים, עגבניות, חמניות וגידולים אחרים הם המארחים של H. armigera. הוא משלים את מחזור החיים שלו בחלקים שונים של צמחים פונדקאים. ביצים המוטלות על ידי נקבות עש בוקעות על העלים, ולאחר מכן הן ניזונות מרקמות צמחיות בשלבי הזחל. שלב הזחל הוא ההרסני ביותר בשל אופיו הרעב והסתגלני מאוד 4,5. H. armigera מראה תפוצה גלובלית ופלישה לטריטוריות חדשות בשל תכונותיו המדהימות, כגון פוליפגיה, יכולות נדידה מצוינות, פריון גבוה יותר, דיאפאוזה חזקה, והופעת עמידות לאסטרטגיות קיימות להדברת חרקים6.
מולקולות כימיות מגוונות מטרפנים, פלבנואידים, אלקלואידים, פוליפנולים, גלוקוזידים ציאנוגניים ורבים אחרים נמצאים בשימוש נרחב להדברת התפשטות H. armigera 7. עם זאת, יישום תכוף של מולקולות כימיות מקנה השפעות שליליות על הסביבה ובריאות האדם עקב רכישת שאריות שלהם. כמו כן, הם מראים השפעה מזיקה על טורפים מזיקים שונים, וכתוצאה מכך חוסר איזון אקולוגי 8,9. לכן, יש צורך לחקור אפשרויות בטוחות וידידותיות לסביבה עבור מולקולות כימיות של הדברה.
מולקולות קוטלי חרקים טבעיים המיוצרים על ידי צמחים (פיטוכימיקלים) יכולות לשמש כחלופה מבטיחה לחומרי הדברה כימיים. פיטוכימיקלים אלה כוללים מטבוליטים שניוניים שונים השייכים למחלקות אלקלואידים, טרפנואידים ופנולים 7,10. קוורצטין הוא אחד הפלבנואידים (תרכובת פנולית) הנפוצים ביותר בדגנים, ירקות, פירות ועלים שונים. הוא מראה הרתעת האכלה ופעילות קוטלת חרקים נגד חרקים; כמו כן, הוא אינו מזיק לאויבים טבעיים של מזיקים11,12. לפיכך, פרוטוקול זה מדגים את בדיקת ההזנה באמצעות קוורצטין כדי להעריך את השפעתו הרעילה על H. armigera.
שיטות ביו-אסאי שונות פותחו כדי להעריך את ההשפעה של מולקולות טבעיות וסינתטיות על דפוסי ההזנה, הגדילה, ההתפתחות וההתנהגות של חרקים13. שיטות נפוצות כוללות את בדיקת דיסק העלים, מבחן האכלת בחירה, בדיקת הזנה טיפתית, בדיקת מגע, בדיקת כיסוי דיאטה ובדיקת האכלה חובה13,14. שיטות אלה מסווגות בהתבסס על האופן שבו חומרי הדברה מיושמים על חרקים. בדיקת האכלה מחייבת היא אחת השיטות הנפוצות, הרגישות, הפשוטות והסתגלות ביותר לבדיקת קוטלי חרקים סבירים והמינון הקטלני שלהם14. בבדיקת הזנה מחייבת, המולקולה המעניינת מעורבבת עם תזונה מלאכותית. זה מספק עקביות ושליטה על הרכב הדיאטה, יצירת תוצאות חזקות לשחזור. משתנים חשובים המשפיעים על בדיקות האכלה הם השלב ההתפתחותי של החרק, בחירת קוטל החרקים, גורמים סביבתיים וגודל המדגם. משך הבדיקה, מרווח בין שתי הקלטות נתונים, תדירות וכמות התזונה המואכלת, בריאות החרקים ומיומנות הטיפול של המפעילים יכולים גם הם להשפיע על תוצאות בדיקות האכלה14,15.
מחקר זה נועד להדגים את בדיקת ההזנה המחייבת כדי להעריך את ההשפעה של קוורצטין על הישרדות וכושר של H. armigera . הערכה של פרמטרים שונים, כגון משקל גוף חרקים, שיעור תמותה ופגמים התפתחותיים, תספק תובנות לגבי ההשפעות קוטלי החרקים של קוורצטין. בינתיים, מדידת פרמטרים תזונתיים, כולל יעילות ההמרה של מזון שנבלע (ECI), יעילות ההמרה של מזון מעוכל (ECD) ויכולת עיכול משוערת (AD), תדגיש את התכונות נוגדות ההזנה של קוורצטין.
Protocol
Representative Results
Discussion
בדיקות ביולוגיות במעבדה שימושיות לחיזוי תוצאות ולהפקת נתוני רעילות השוואתיים על מספר תרכובות בתקופה קצרה ובעלות סבירה. הבדיקה הביולוגית של ההזנה מסייעת לפרש את יחסי הגומלין בין קוטל חרקים לבין קוטלי חרקים-צמחים. זוהי שיטה יעילה למדידת רעילותם של מגוון חומרים המפשטת באופן משמעותי את תהל?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SM, YP ו- VN מכירים במלגה שהוענקה על ידי ועדת המענקים של האוניברסיטה, ממשלת הודו, ניו דלהי. RJ מודה למועצה למחקר מדעי ותעשייתי (CSIR), הודו, ולמעבדה הכימית הלאומית CSIR, פונה, הודו, לתמיכה כספית תחת קודי הפרויקט MLP036626, MLP101526 ו- 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 |
Referências
- 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).
