Udvikling af et fodringsanalysesystem til evaluering af fytokemikaliers insekticide virkning på Helicoverpa armigera
Summary
Denne protokol beskriver det obligatoriske fodringsassay for at evaluere den potentielt toksiske virkning af et fytokemisk på de lepidopteranske insektlarver. Dette er et meget skalerbart insektbioassay, let at optimere den subletale og dødelige dosis, afskrækkende aktivitet og fysiologisk effekt. Dette kan bruges til screening af miljøvenlige insekticider.
Abstract
Helicoverpa armigera, et lepidopteran insekt, er et polyfagisk skadedyr med en verdensomspændende distribution. Dette planteædende insekt er en trussel mod planter og landbrugsproduktivitet. Som reaktion producerer planter flere fytokemikalier, der negativt påvirker insektets vækst og overlevelse. Denne protokol demonstrerer en obligatorisk fodringsanalysemetode til evaluering af effekten af en fytokemisk (quercetin) på insektvækst, udvikling og overlevelse. Under kontrollerede forhold blev de nyfødte opretholdt indtil den anden stjerne på en foruddefineret kunstig diæt. Disse andenstjernelarver fik lov til at fodre på en kontrol- og quercetinholdig kunstig diæt i 10 dage. Insekternes kropsvægt, udviklingsstadium, frass vægt og dødelighed blev registreret på alternative dage. Ændringen i kropsvægt, forskellen i fodringsmønster og udviklingsfænotyper blev evalueret gennem hele analysetiden. Det beskrevne obligatoriske fodringsassay simulerer en naturlig indtagelsesmåde og kan skaleres op til et stort antal insekter. Det tillader en at analysere fytokemikaliernes virkning på vækstdynamikken, udviklingsovergangen og den generelle egnethed af H. armigera. Desuden kan denne opsætning også bruges til at evaluere ændringer i ernæringsparametre og fordøjelsesfysiologiske processer. Denne artikel indeholder en detaljeret metode til fodring af analysesystemer, som kan have anvendelser i toksikologiske undersøgelser, screening af insekticidmolekyler og forståelse af kemiske virkninger i plante-insektinteraktioner.
Introduction
De biotiske faktorer, der påvirker afgrødeproduktiviteten, er hovedsageligt patogene stoffer og skadedyr. Flere skadedyr forårsager 15-35 % af tabet af landbrugsafgrøder og påvirker den økonomiske bæredygtighedspraksis1. Insekter, der tilhører ordrerne Coleoptera, Hemiptera og Lepidoptera, er de største ordrer af ødelæggende skadedyr. Miljøets meget adaptive natur har gavnet lepidopteraner i udviklingen af flere overlevelsesmekanismer. Blandt lepidopteranske insekter kan Helicoverpa armigera (bomuldsbollorm) fodre på omkring 180 forskellige afgrøder og forårsage betydelig skade på deres reproduktive væv2. På verdensplan har H. armigera-angreb resulteret i et tab på omkring 5 milliarder dollars3. Bomuld, kikærter, dueærter, tomater, solsikke og andre afgrøder er værter for H. armigera. Det fuldender sin livscyklus på forskellige dele af værtsplanter. Æg lagt af kvindelige møller bliver udklækket på bladene, efterfulgt af deres fodring på vegetative væv under larvestadier. Larvestadiet er det mest ødelæggende på grund af dets glubske og meget tilpasningsdygtige natur 4,5. H. armigera viser en global fordeling og indgreb i nye territorier på grund af dets bemærkelsesværdige egenskaber, såsom polyfagi, fremragende migrationsevner, højere frugtbarhed, stærk diapause og fremkomsten af resistens over for eksisterende insektbekæmpelsesstrategier6.
Forskellige kemiske molekyler fra terpener, flavonoider, alkaloider, polyphenoler, cyanogene glucosider og mange andre anvendes i vid udstrækning til bekæmpelse af H. armigera-angreb 7. Imidlertid giver hyppig anvendelse af kemiske molekyler negative virkninger på miljøet og menneskers sundhed på grund af erhvervelsen af deres rester. De viser også en skadelig virkning på forskellige skadedyrsbekæmpere, hvilket resulterer i en økologisk ubalance 8,9. Derfor er det nødvendigt at undersøge sikre og miljøvenlige muligheder for kemiske molekyler til skadedyrsbekæmpelse.
Naturlige insekticide molekyler produceret af planter (fytokemikalier) kan bruges som et lovende alternativ til kemiske pesticider. Disse fytokemikalier omfatter forskellige sekundære metabolitter, der tilhører klasserne alkaloider, terpenoider og phenoler 7,10. Quercetin er en af de mest rigelige flavonoider (phenolforbindelse), der findes i forskellige korn, grøntsager, frugter og blade. Det viser fodring afskrækkende og insekticid aktivitet mod insekter; Det er heller ikke skadeligt for naturlige fjender af skadedyr11,12. Således demonstrerer denne protokol fodringsanalysen ved hjælp af quercetin til vurdering af dens toksiske virkning på H. armigera.
Forskellige bioassaymetoder er blevet udviklet til at evaluere effekten af naturlige og syntetiske molekyler på et insekts fodring, vækst, udvikling og adfærdsmønstre13. Almindeligt anvendte metoder inkluderer bladskiveanalysen, valgfodringsanalyse, dråbefodringsanalyse, kontaktanalyse, diætdækkende assay og obligatorisk fodringsanalyse13,14. Disse metoder klassificeres ud fra, hvordan pesticider anvendes på insekter. Det obligatoriske fodringsassay er en af de mest almindeligt anvendte, følsomme, enkle og tilpasningsdygtige metoder til at teste sandsynlige insekticider og deres dødelige dosis14. I et obligatorisk fodringsassay blandes molekylet af interesse med en kunstig kost. Dette giver konsistens og kontrol over kostsammensætningen, hvilket genererer robuste og reproducerbare resultater. Vigtige variabler, der påvirker fodringsassays, er insektets udviklingsstadium, valg af insekticid, miljøfaktorer og prøvestørrelse. Varigheden af analysen, intervallet mellem to dataregistreringer, hyppigheden og mængden af fodret foder, insekternes sundhed og operatørernes håndteringsevne kan også påvirke resultatet af fodringsassays 14,15.
Denne undersøgelse har til formål at demonstrere det obligatoriske fodringsassay for at evaluere effekten af quercetin på H. armigera overlevelse og kondition. Vurdering af forskellige parametre, såsom insektets kropsvægt, dødelighed og udviklingsfejl, vil give indsigt i de insekticide virkninger af quercetin. I mellemtiden vil måling af ernæringsmæssige parametre, herunder effektiviteten af omdannelse af indtaget mad (ECI), effektiviteten af omdannelsen af fordøjet mad (ECD) og omtrentlig fordøjelighed (AD), fremhæve quercetins antifeederende egenskaber.
Protocol
Representative Results
Discussion
Laboratoriebioassays er nyttige til at forudsige resultater og producere komparative toksicitetsdata for flere forbindelser på kort tid til en rimelig pris. Foderbioassayet hjælper med at fortolke interaktionerne mellem insekt-insekticid og insekt-plante-insekticider. Det er en effektiv metode til måling af toksiciteten af en række stoffer, som i væsentlig grad forenkler processen med at bestemme den dødelige dosis 50 (LD50), den dødelige koncentration 50 (LC50) eller enhver anden dødelig ko…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SM, YP og VN anerkender stipendiet tildelt af University Grants Commission, Indiens regering, New Delhi. RJ anerkender Council of Scientific and Industrial Research (CSIR), Indien, og CSIR-National Chemical Laboratory, Pune, Indien, for økonomisk støtte under projektkoderne 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).
