En experimentell studie på koloradoskalbaggar som övervintrar under naturliga förhållanden
Summary
Här presenterar vi en metod för att studera koloradoskalbaggens övervintring under de naturliga förhållandena i den tempererade zonen samt en teknik för att samla skalbaggar på vintern. Denna metod gör det möjligt att få ett önskat antal övervintrande individer för olika analyser i alla stadier av vinterdvalan.
Abstract
En av de största skadegörarna på potatis Solanum tuberosum L. i den tempererade zonen är insekten Coloradobagge (CPB). De flesta studier om CPB:s immunitet och sjukdomar utförs under aktiva matningsstadier. Ändå finns det färre studier om vilostadier, även om dessa skalbaggar tillbringar större delen av sin livscykel i ett tillstånd av vinterdiapaus (dvala). I detta arbete utvecklades och testades en metod för att undersöka CPB:s övervintring under naturliga förhållanden, vilket ger en möjlighet att samla in ett tillräckligt antal individer på vintern. I denna artikel utvärderades CPB-överlevnad och smittämnen i olika stadier av dvala identifierades. Dödligheten i CPB ökade under vinterdvalan och nådde sin högsta nivå i april-maj. Entomopatogena svampar (Beauveria, Isaria och Lecanicillium) och bakterierna Bacillus, Sphingobacterium, Peribacillus, Pseudomonas och Serratia isolerades från de döda insekterna. Skalbaggarnas överlevnadsgrad under hela vinterdvalan var 61 %. Inga frysta eller uttorkade skalbaggar hittades, vilket tyder på att den presenterade metoden var framgångsrik.
Introduction
Coloradoskalbaggen Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) är en viktig skadegörare på Solanaceae-växter, främst potatis Solanum tuberosum L. Artens geografiska utbredningsområde är mer än 16 miljonerkm2 ochexpanderar ständigt. CPB har fakultativ vinterdiapaus, och viloläge är obligatoriskt i den tempererade zonen. Diapausen induceras av en kort dag fotoperiod och moduleras av temperatur1. Dessa skalbaggar övervintrar i vuxenstadiet genom att gräva ner sig i jorden. Med ökande breddgrader förlängs vilolägets varaktighet. I den tempererade zonen, särskilt i de norra delarna av dess utbredningsområde, varar övervintringen upp till 9 månader: från augusti-september till maj-juni (Noskov et al., personliga observationer). Under denna period utsätts CPB – precis som alla andra insekter i den tempererade zonen – för ogynnsamma vinterförhållanden och måste öka sin köldtolerans. Samtidigt ökar skalbaggarnas kontakt med jorden risken för infektion av olika opportunistiska och patogena mikroorganismer2. Därför måste dessa skalbaggar upprätthålla en viss nivå av immunsystemaktivitet under vinterdvalan, vilket också är energimässigt kostsamt. Men även om insekten överlever en infektion kan sjukdomen minska dess köldhärdighet3. Det bör noteras att låg temperatur inte är den enda orsaken till vinterdödligheten för CPB. Syrebristen spelar också en viktig roll, och under vissa förhållanden kan den vara den viktigaste faktorn för vinterdödlighet 4,5.
Det är känt att den naturliga vinterdödligheten för CPB kan vara mycket hög och nå 100 % i lerjordar6. Övervintring är därför en av de mest avgörande perioderna i CPB:s livscykel. Ändå är data om fysiologi, immunsystemets aktivitet, överlevnad och andra parametrar för CPB-viloläge under naturliga förhållanden fortfarande begränsade. Det finns studier på differentiellt genuttryck och olika fysiologiska parametrar hos vuxna med CPB under diapausen och som svar på köldchock 7,8,9,10,11,12; Dessa analyser har dock huvudsakligen utförts genom induktion av diapaus eller köldstress under laboratorieförhållanden utan naturliga fluktuationer i temperatur, luftfuktighet och naturlig patogenbelastning. Icke desto mindre är forskning om fysiologin hos dessa skalbaggar som samlats in genom utgrävning från jord under naturliga förhållanden viktig. Olika aspekter av övervintring av CPB under naturliga förhållanden studerades aktivt under 1970-1980-talen 13,14,15,16,17,18. Å andra sidan inbegrep dessa studier inte CPB-schaktning från marken på vintern. Dessutom finns det ingen detaljerad teknik för kontrollerad övervintring av CPB och en beskrivning av burarna. Därför behövs en undersökning av fysiologin hos CPB som övervintrar i naturliga miljöer19.
Syftet med denna studie var att utveckla och testa en metod för kontrollerad övervintring hos vuxna CPB under naturliga förhållanden. Den föreslagna metoden gör det möjligt att erhålla ett önskat antal CPB-individer för mikrobiologiska, immunologiska och andra analyser under vinterdvala under fältförhållanden i ett kontinentalt klimat. Denna metod kan anpassas och tillämpas på andra insektsarter som övervintrar i mark under snö.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie visar att den föreslagna metoden för att studera övervintring av CPB gör det möjligt att få ett tillräckligt antal insekter under olika perioder av dvala. Framgången för den presenterade tekniken beror på flera oberoende faktorer, varav den viktigaste är väderförhållandena. Under en kall, snöfri vinter kan jorden frysa till hela burens djup. I det här fallet ökar risken för att alla skalbaggar dör betydligt18. Skalbaggens överlevnad beror på en kombination av mån…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar våra kollegor Vladimir Shilo, Vera Morozovа, Ulyana Rotskaya, Olga Polenogova och Oksana Tomilova för deras hjälp med att organisera och genomföra fält- och laboratorieprocedurerna.
Forskningen har finansierats av 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).
