En eksperimentel undersøgelse af Colorado kartoffelbille dvaletilstand under naturlige forhold
Summary
Her præsenterer vi en metode til at studere Colorado-kartoffelbilledvaletilstand under de naturlige forhold i den tempererede zone samt en teknik til indsamling af biller om vinteren. Denne metode gør det muligt at opnå et ønsket antal overvintrende individer til forskellige analyser på ethvert stadium af dvaletilstand.
Abstract
Et af de største skadedyr af kartoffel Solanum tuberosum L. i den tempererede zone er insektet Colorado kartoffelbille (CPB). De fleste undersøgelser af immunitet og sygdomme i CPB udføres under aktive fodringsstadier. Ikke desto mindre er der færre undersøgelser af hvilestadier, selvom disse biller tilbringer det meste af deres livscyklus i en tilstand af vinterdiapause (dvale). I dette arbejde blev en metode til undersøgelse af CPB-dvaletilstand under naturlige forhold udviklet og testet, hvilket giver mulighed for at indsamle et tilstrækkeligt antal individer om vinteren. I denne artikel blev CPB-overlevelse vurderet, og infektiøse agenser på forskellige stadier af dvaletilstand blev identificeret. CPB-dødeligheden steg under dvaletilstanden og nåede et maksimum i april-maj. Entomopatogene svampe (Beauveria, Isaria og Lecanicillium) og bakterier Bacillus, Sphingobacterium, Peribacillus, Pseudomonas og Serratia blev isoleret fra de døde insekter. Overlevelsesgraden for billerne for hele dvaleperioden var 61%. Der blev ikke fundet frosne eller udtørrede biller, hvilket indikerer succesen med den præsenterede metode.
Introduction
Colorado-kartoffelbaglen Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) er et vigtigt skadedyr af Solanaceae-planter, overvejende kartoffel Solanum tuberosum L. Det geografiske område af denne art er mere end 16 millioner km2 og udvides konstant1. CPB har fakultativ vinterdiapause, og dvaletilstand er obligatorisk i den tempererede zone. Diapausen induceres af en kortdags fotoperiode og moduleres af temperatur1. Disse biller overvintrer i voksenstadiet ved at grave sig ned i jorden. Med stigende breddegrader forlænges dvaleperiodens varighed. I den tempererede zone, især på nordlige områder af sit sortiment, varer overvintringen op til 9 måneder: fra august-september til maj-juni (Noskov et al., personlige observationer). I løbet af denne periode udsættes CPB – ligesom ethvert andet insekt i den tempererede zone – for ugunstige vinterforhold og skal øge sin kuldetolerance. Samtidig øger billernes kontakt med jord risikoen for infektion med forskellige opportunistiske og patogene mikroorganismer2. Derfor skal disse biller opretholde et vist niveau af immunsystemaktivitet under dvaletilstand, hvilket også er energisk dyrt. Ikke desto mindre, selvom insektet overlever en infektion, kan sygdommen reducere sin kuldehårdhed3. Det skal bemærkes, at lav temperatur ikke er den eneste årsag til vinterdødeligheden i CPB. En vigtig rolle spilles også af manglen på ilt, og under nogle forhold kan det være den vigtigste faktor for vinterdødelighed 4,5.
Det er kendt, at CPB’s naturlige vinterdødelighed kan være meget høj og nå 100% i lerjord6. Overvintring er således en af de mest afgørende perioder i CPB’s livscyklus. Ikke desto mindre er data om fysiologi, immunsystemaktivitet, overlevelse og andre parametre for CPB-dvaletilstand under naturlige forhold stadig begrænsede. Der er undersøgelser af differentiel genekspression og forskellige fysiologiske parametre hos CPB-voksne under diapausen og som reaktion på kuldechok 7,8,9,10,11,12; Disse analyser er imidlertid hovedsageligt blevet udført ved induktion af diapause eller kuldestress under laboratorieforhold uden naturlige udsving i temperatur, fugtighed og naturlig patogenbelastning. Ikke desto mindre er forskning i fysiologien af disse biller indsamlet ved udgravning fra jord under naturlige forhold vigtig. Forskellige aspekter af CPB-overvintring under naturlige forhold blev aktivt undersøgt i 1970’erne-1980’erne 13,14,15,16,17,18. På den anden side involverede disse undersøgelser ikke CPB-udgravning fra jorden om vinteren. Derudover er en teknik til kontrolleret dvaletilstand af CPB og en beskrivelse af burene ikke givet detaljeret. Derfor er der behov for undersøgelse af fysiologien hos CPB’er, der overvintrer i naturlige omgivelser19.
Formålet med denne undersøgelse var at udvikle og teste en metode til kontrolleret dvale hos voksne CPB under naturlige forhold. Den foreslåede metode gør det muligt at opnå et ønsket antal CPB-individer til mikrobiologiske, immunologiske og andre assays under dvaletilstand under feltbetingelser i et kontinentalt klima. Denne metode kan tilpasses og anvendes på andre insektarter, der overvintrer i jord under sne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne undersøgelse viser, at den foreslåede metode til undersøgelse af overvintring af CPB’er gør det muligt for os at opnå et tilstrækkeligt antal insekter i forskellige dvaleperioder. Succesen med den præsenterede teknik afhænger af flere uafhængige faktorer, hvoraf den vigtigste er vejrforholdene. I en kold, snefri vinter kan jorden fryse til hele dybden af buret. I dette tilfælde stiger risikoen for død af alle biller betydeligt18. Billeoverlevelsen afhænger af en kombination af ma…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker vores kolleger Vladimir Shilo, Vera Morozovа, Ulyana Rotskaya, Olga Polenogova og Oksana Tomilova for deres hjælp med at organisere og udføre felt- og laboratorieprocedurerne.
Forskningen blev støttet af Russian Science Foundation, projekt 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 |
References
- 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).
