En eksperimentell studie på Colorado potetbille dvale under naturlige forhold
Summary
Her presenterer vi en metode for å studere Colorado-potetbille dvalemodus under de naturlige forholdene i den tempererte sonen, samt en teknikk for å samle biller om vinteren. Denne metoden gjør det mulig å oppnå et ønsket antall overvintrende individer for ulike analyser på et hvilket som helst stadium av dvalemodus.
Abstract
En av de største av potet Solanum tuberosum L. i den tempererte sonen er insektet Colorado potetbille (CPB). De fleste studier på immunitet og sykdommer i CPB utføres under aktive fôringsstadier. Likevel er det færre studier på hvilestadier, selv om disse billene tilbringer mesteparten av livssyklusen i en tilstand av vinterdiapause (dvalemodus). I dette arbeidet ble det utviklet og testet en metode for å undersøke CPB-dvalemodus under naturlige forhold, noe som gir mulighet til å samle et tilstrekkelig antall individer om vinteren. I denne artikkelen ble CPB-overlevelsen vurdert, og smittestoffer i ulike dvalestadier ble identifisert. CPB-dødeligheten økte under dvalemodusen, og nådde et maksimum i april-mai. Entomopatogene sopp (Beauveria, Isaria og Lecanicillium) og bakterier Bacillus, Sphingobacterium, Peribacillus, Pseudomonas og Serratia ble isolert fra de døde insekter. Overlevelsesgraden for biller for hele dvaleperioden var 61%. Ingen frosne eller uttørkede biller ble funnet, noe som indikerer suksessen til den presenterte metoden.
Introduction
Colorado potetbille Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) er et viktig av Solanaceae planter, hovedsakelig potet Solanum tuberosum L. Det geografiske området for denne arten er mer enn 16 millioner km2 og utvides stadig1. CPB har fakultativ vinterdiapause, og dvalemodus er obligatorisk i den tempererte sonen. Diapausen induseres av en fotoperiode på kort dag og moduleres av temperatur1. Disse billene overvintrer i voksenstadiet ved å grave seg ned i jord. Med økende breddegrader strekker varigheten av dvalemodusperioden seg. I den tempererte sonen, spesielt på nordlige områder av sitt område, varer overvintringen opptil 9 måneder: fra august-september til mai-juni (Noskov et al., personlige observasjoner). I løpet av denne perioden er CPB – akkurat som alle andre insekter i den tempererte sonen – utsatt for ugunstige vinterforhold og må øke sin kuldetoleranse. Samtidig øker kontakt av biller med jord risikoen for infeksjon av ulike opportunistiske og patogene mikroorganismer2. Derfor må disse billene opprettholde et visst nivå av immunsystemaktivitet under dvalemodus, noe som også er energisk kostbart. Likevel, selv om insektet overlever en infeksjon, kan sykdommen redusere sin kalde hardførhet3. Det skal bemerkes at lav temperatur ikke er den eneste grunnen til vinterdødeligheten til CPB. En viktig rolle spilles også av mangel på oksygen, og under noen forhold kan det være hovedfaktoren for vinterdødelighet 4,5.
Det er kjent at naturlig vinterdødelighet av CPB kan være svært høy, og nå 100% i leirleirjord6. Dermed er overvintring en av de mest avgjørende periodene i CPBs livssyklus. Likevel er data om fysiologi, immunsystemaktivitet, overlevelse og andre parametere for CPB-dvalemodus under naturlige forhold fortsatt begrenset. Det er studier på differensielt genuttrykk og ulike fysiologiske parametere hos CPB-voksne under diapausen og som respons på kuldesjokk 7,8,9,10,11,12; Imidlertid har disse analysene hovedsakelig blitt utført ved induksjon av diapause eller kuldespenning under laboratorieforhold uten naturlige svingninger i temperatur, fuktighet og naturlig patogenbelastning. Likevel er forskning på fysiologien til disse billene samlet inn ved utgraving fra jord under naturlige forhold viktig. Ulike aspekter ved CPB-overvintring under naturlige forhold ble aktivt studert på 1970-1980-tallet 13,14,15,16,17,18. På den annen side involverte disse studiene ikke CPB-utgraving fra jorda om vinteren. I tillegg er en teknikk for kontrollert dvalemodus av CPB og en beskrivelse av burene ikke gitt i detalj. Derfor er det nødvendig med undersøkelse av fysiologien til CPB som overvintrer i naturlige omgivelser19.
Målet med denne studien var å utvikle og teste en metode for kontrollert dvalemodus hos CPB-voksne under naturlige forhold. Den foreslåtte metoden gjør det mulig å oppnå et ønsket antall CPB-individer for mikrobiologiske, immunologiske og andre analyser under dvalemodus under feltforhold i et kontinentalt klima. Denne metoden kan tilpasses og brukes på andre insektarter som overvintrer i jord under snø.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne studien viser at den foreslåtte metoden for å studere overvintring av CPB gjør det mulig for oss å skaffe et tilstrekkelig antall insekter i forskjellige dvaleperioder. Suksessen til den presenterte teknikken avhenger av flere uavhengige faktorer, hvorav det viktigste er værforholdene. I en kald, snøfri vinter kan jorden fryse til hele dybden av buret. I dette tilfellet øker risikoen for død av alle biller betydelig18. Bjelkens overlevelse avhenger av en kombinasjon av mange faktorer…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker våre kolleger Vladimir Shilo, Vera Morozovа, Ulyana Rotskaya, Olga Polenogova og Oksana Tomilova for deres hjelp med organisering og gjennomføring av felt- og laboratorieprosedyrer.
Forskningen ble støttet av Russian Science Foundation, prosjekt nr. 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 |
Referências
- 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).
