На правах рукописи
БАЛУЕВА
Екатерина Николаевна
Популяционная структура и
экологические особенности разных морф
Harmonia axyridis Pall. (Coleoptera, Coccinellidae)
Шифр и наименование специальности:
03.02.05 – энтомология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Санкт-Петербург 2010
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский НИИ защиты растений Россельхозакадемии
Научный руководитель:
кандидат биологических наук Белякова Наталия Александровна
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Резник Сергей Яковлевич кандидат биологических наук Фасулати Сергей Радиевич Ведущее учреждение:
Санкт-Петербургский государственный университет
Защита состоится 28 октября 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 006.015.01 при Всероссийском научноисследовательском институте защиты растений по адресу: 196608, Санкт-Петербург, Пушкин, шоссе Подбельского, д. 3.
Факс: (812) 470-51-10; e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений
Автореферат разослан 27 сентября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Г.А. Наседкина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Harmonia axyridis Pall. (Coleoptera, Coccinellidae) – высокоэффективный энтомофаг, которого используют для защиты растений уже около века (Воронин, 1968; Сидляревич, Воронин, 1970; Яркулов, 2002;
Gordon, 1985).
Исходный ареал H.axyridis включает Южную Сибирь, северный Казахстан, Монголию, Китай, Приморский край, Курильские, Шантарские и Японские острова, Корейский п-ов (Кузнецов, 1993). Южные границы ареала H.axyridis достигают субтропиков в китайской провинции Юннань (23-24° с.ш.), северные – зоны вечной мерзлоты в Якутии (57-58° с.ш.) (Блехман, 2009; Zhang et al., 2008).
Хармония акклиматизировалась в Америке и Европе, где проводили массовые выпуски жуков из дальневосточных популяций для подавления тлей, кокцид и цикад (Koch et al., 2006). В настоящее время на востоке Европы хармония достигла Закарпатья (Marko, Pozsgai, 2009) и Латвии (Barevskis, 2009), на севере – Норвегии (Sthre et al., 2009).
Для понимания факторов, обеспечивших стремительное расширение ареала H.axyridis, необходимы дальнейшие исследования фенетической структуры и адаптивных стратегий разных географических популяций этого вида. Особый интерес представляют зоны ареала, где происходит смена доминирующих морф H.axyridis. В первую очередь это – юг Восточной Сибири, где идет гибридизация между темноокрашенными сибирскими и светлоокрашенными дальневосточными популяциями (Корсун, 1999; Бутько, 2004; Dobzhansky, 1951). Кроме того, фенетически сильно отличаются друг от друга популяции H.axyridis с восточного побережья Китая и Японских островов. В японских популяциях доля темноокрашенных морф conspicua и spectabilis в несколько раз выше по сравнению с восточно-китайскими материковыми популяциями (Komai et al., 1950). В связи с этим интерес представляют данные о фенетической структуре корейских популяций H.axyridis, локализованных между Восточным Китаем и Японскими островами.
Существует предположение, что представители различных морф H.axyridis отличаются по биотопической приуроченности, пищевым предпочтениям и репродуктивному потенциалу (Dobzhansky, 1951; Komai, Hosino, 1951; Soares et al., 2005). Для проверки этой гипотезы необходимо продолжить исследования экологических особенностей различных морф H.axyridis. Это расширит наши представления об адаптивной стратегии хармонии, а также позволит в полной мере реализовать ее потенциал как энтомофага в системах биологической защиты растений в Сибири и на Дальнем Востоке.
Следует отметить, что многолетний опыт использования хармонии в защите растений был не всегда положительным. Например, во Франции было отмечено, что жуки хармонии в качестве дополнительного питания используют созревший виноград; это в дальнейшем снижает качество вина (Koch, 2003; Koch et al., 2006). Кроме того, инвазия хармонии приводит к изменению в структуре комплексов местных кокцинеллид, которые становятся жертвами хармонии (Pell et al., 2008). Исходя из этого, в ряде европейских стран были введены ограничения на использование хармонии для биологической защиты растений. С нашей точки зрения, в Европейской части РФ тоже следует принять меры, которые предотвратят распространение хармонии за пределами теплиц. Возможным решением является использование для колонизации в защищенном грунте бессамцовых линий H.axyridis. Отсутствие самцов предотвратит нежелательное распространение хармонии за пределами теплиц. Исходя из этого, целесообразно провести выделение бессамцовых линий H.axyridis и первичную оценку перспектив их использования в биологической защите растений.
Цель работы. Сравнить фенетическую и половую структуру прибайкальских и дальневосточных популяций H.axyridis, оценить экологические особенности разных морф данного вида, определить пути дальнейшего использования H.axyridis в защите растений.
Задачи работы:
1. Оценить полиморфизм H.axyridis по рисунку надкрылий и наличию элитрального гребня в популяциях из Прибайкалья, Приморья и с Корейского полуострова.
2. Оценить прожорливость, продолжительность личиночного развития, потребляемую биомассу и вес имаго у H.axyridis разных морф при питании персиковой, бобовой и злаковой тлями.
3. Выявить пищевые предпочтения у имаго и личинок H.axyridis разных морф в условиях выбора жертвы.
4. Оценить соотношение полов в природных популяциях H.axyridis, выделить бессамцовые линии, оценить возможность их массового разведения для применения в биологической защите растений.
Научная новизна. Проведена сравнительная оценка микрогеографической изменчивости фенетического состава прибайкальских и корейских популяций. На острове Чеджу (Корея) выявлена повышенная (21%) частота редких морф aulica и intermedia.
Описаны новые структурные элементы рисунка надкрылий H.axyridis. Выявлен характер наследования этих элементов.
Проведена сравнительная оценка прожорливости и пищевых предпочтений 6 морф H.axyridis, в том числе редких. Выявлена значительная генетическая гетерогенность популяций H.axyridis по прожорливости, потребляемой и усваиваемой биомассе, а также по продолжительности личиночного развития.
Практическая значимость. На основе оценки пищевых предпочтений у личинок и имаго H.axyridis сформирована культура характеризующаяся рисунком надкрылий aulica, которая отличается повышенной прожорливостью при питании персиковой тлей.
Выделено 3 бессамцовых линии H.axyridis, перспективные для применения против тлей в теплицах на Европейской части РФ.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на XIII съезде РЭО (Краснодар, 2007), международной научной конференции «Фитосанитарное обеспечение устойчивого развития агроэкосистем» (Орл, 2008), международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы энтомологии» (Ставрополь, 2008, 2009), международной научно-практической экологической конференции «Живые объекты в условиях антропогенного пресса»
(Белгород, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, практических рекомендаций и списка использованной литературы, включающего 185 источника, в том числе 124 на иностранных языках. Работа изложена на 130 страницах, содержит в основном тексте 21 таблицу и 42 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
ГЛАВА 1. Кокцинеллида Harmonia axyridis: распространение, биологические особенности и перспективы использования в защите растений В обзоре литературы приведены основные биологические особенности H.axyridis, описан комплекс морфологических, экофизиологических, поведенческих и других признаков, которые обуславливают высокую эффективность H.axyridis в системах биологической защиты сельскохозяйственных культур.Уделено серьезное внимание процессу акклиматизации H.axyridis в Европе и Америке. Подробно проанализирована литература по вопросам, связанным с применением H.axyridis защите растений.
Сбор имаго, куколок и личинок H. axyridis проводили на территории Иркутской области, Приморского края и Республики Корея. Особей сортировали по полу, рисунку надкрылий (рис. 1, 2) и наличию элитрального гребня.
Среднее число морф рисунка надкрылий в популяции рассчитывали по формуле: p1... pm, где p1, …, pm – частоты морф. Достоверность различий между популяциями оценивали по критерию хи-квадрат (Животовский, 1991). Долю гетерозигот в популяции рассчитывали по формуле ХардиВайнберга с учетом последовательного доминирования аллелей:
CON>SPC>TRP>AXY>TRF>INT>AUL>SUC (Tan, 1946).
Рис.2. Редкие морфы H.axyridis. 1-2 – aulica (далее AUL), 3 – intermedia (INT), 4 – transversifascia (TRF), 5 – tripunctata (TRP).
Разведение хармонии в лабораторных условиях проводили на злаковой тле.
Для индивидуального разведения хармонии использовали пластиковые чашки Петри. В чашку помещали самца и самку одного возраста. В качестве корма использовали злаковую тлю на срезанных растениях пшеницы и яйца зерновой моли, наклеенные на картонные карточки. Яйцекладки собирали ежесуточно. Полученных личинок выкармливали по стандартной методике (Яркулов, Белякова, 2002).
Оценку суточной прожорливости и пищевого предпочтения проводили при температурах 22°С, 24°С и 26°С, влажности воздуха 70-80% и длине дня 18 часов в чашках Петри индивидуально на личинках и имаго морф SUC, AUL, INT, AXY, SPC и CON из линий, в которых аллель рисунка надкрылий была выведена в гомозиготное состояние. Индекс пищевого предпочтения (ИПП) рассчитывали по формуле: ИПП=ln(e1/A1)/[ln(e1/A1)+ln(e2/A2)], где A1 и A2– исходное число тлей первого и второго вида, предложенных в смеси, e1 и e2 – число тлей первого и второго вида, выживших в течение суток (Manly et al., 1974).
Для выделения бессамцовых линий H.axyridis отбирали суточные яйцекладки.
После выхода личинок подсчитывали количество отродившихся особей и погибших эмбрионов. Личинок выкармливали по стандартной методике. Затем у полученных имаго оценивали соотношение полов. По сочетанию двух признаков (наследуемая полустерильность и отсутствие самцов в потомстве) отбирали самок, от которых закладывали бессамцовые линии.
Для статистической обработки полученных данных использовали Ткритерий Стьюдента, а также проводили корреляционный и дисперсионный анализ с помощью пакета программ SPSS v.13.0.
ГЛАВА 3. Фенетическая и половая структура популяций Harmonia axyridis 3.1. Полиморфизм H. axyridis по рисунку надкрылий и наличию элитрального гребня в популяциях c Дальнего Востока В сборах, проведенных в 2008-2009 гг. на Корейском п-ове и в Приморье, доминировала морфа SUC, доля которой составила 86-97%. Частоты SPC и CON колебались в пределах 1,4-8,1%. Суммарная доля редких морф в материковых дальневосточных популяциях не превышала 0,6% (табл. 1).
Таблица 1. Частоты морф в популяциях H.axyridis на Дальнем Востоке.
* - сборы А.Г. Коваля и В.И. Потемкиной Фенетический состав популяций хармонии на Корейском п-ове и в Приморье отличается высокой стабильностью. Суммируя собственные и литературные данные, можно отметить, что в течение последних 50 лет (с 1959 г.) доля доминирующей морфы SUC колебалась незначительно на уровне 90-92%. Морфы SPC, CON и AXY составляли в среднем 3,5%, 4,5% и 0,3% соответственно (Kang, Kim, 1960; Холин, 1988).
Помимо доминирования морфы SUС характерной особенностью дальневосточных популяций является высокая частота носителей элитрального гребня, доля которых составляет 98-99%.
При анализе фенетического состава приморских и корейских популяций H.axyridis не выявлено существенной разницы между осенними и летними сборами имаго. Это согласуется с литературными данными, по которым сезонные колебания частот доминирующих морф в дальневосточных популяциях H.axyridis не превышают 10% (Холин, 1988) Аналогичная ситуация описана для забайкальских популяций (Бутько, 2005).
Для оценки стациальной изменчивости H.axyridis в Приморье, летом 2009 г.
нами были проведены сборы имаго в агроценозах сои и кукурузы, а также на сорной растительности. Несмотря на различные виды жертв, растений и мест сбора различий по частотам морф не выявлено. Доля доминирующей морфы SUC во всех тестированных выборках составила 85-88%. Это свидетельствует о высокой однородности популяций вида в Приморском крае.
В ходе изучения фенетического состава хармонии на сосновых деревьях в окрестностях г. Нонсана было выявлено, что собранные особи принадлежали двум близким видам: H.axyridis и H.yedoensis, имаго которых отличаются по строению гениталий самцов. Данные виды репродуктивно изолированы, что доказано в лабораторных экспериментах (Okada et al., 1978; Sasaji, 1981). Наличие H.yedoensis может быть одним из факторов, влияющих на фенетическую структуру популяций H.axyridis в сосновых лесах.
Отличительной чертой выборки с о-ва Чеджу является высокая частота морф AUL и INT (рис. 3). В Приморском крае AUL и INT встречаются чрезвычайно редко, их доля не превышает 0,3% и 0,03% соответственно (Холин, 1988).
Рис. 3. Фенeтический состав популяций хармонии на о-ве Чеджу (2007 г.) и в окрестностях Владивостока (2009 г.).
Островная популяция из Чеджу отличается значительным фенетическим разнообразием по сравнению с материковыми популяциями из Приморья и с Корейского п-ова. Среднее число морф () в популяции из Чеджу составляет 3,37±0,113, в то время как в Нонсане этот показатель существенно ниже – 1,88±0,042. В Уссурийске он колеблется в пределах от 2,07±0,055 до 2,22±0,073.
3.2. Полиморфизм H. axyridis по рисунку надкрылий и наличию элитрального гребня в популяциях из Прибайкалья В популяциях H.axyridis из Прибайкалья в 2009 г. выявлены имаго двух морф: AXY и SUC. В Иркутске (берег р. Ангары) и в его окрестностях (берег р.
Иркут) доминирует AXY, частота которой составляет 81,7% и 93,2%, соответственно (табл.2). Микрогеографические флуктуации частот морф у хармонии могут быть результатом колебаний численности в разных точках и, как следствие, случайным дрейфом генов, сдвигающим частоты морф.
Таблица 2. Частоты морф в популяциях H.axyridis в Иркутске и его окрестностях.
SUC AXY
В популяциях H.axyridis на побережье оз. Байкал доминирует морфа AXY, ее частота в 2009-2010 гг. в среднем составляла 80,4%. При инкубации собранных куколок и личинок в лабораторных условиях мы получали имаго морфы AXY с частотой 78-89% (табл. 3). При сборе имаго в природе этот показатель сокращался до 41-56% (табл. 4). На первый взгляд, это свидетельствует о повышенной смертности куколок морфы AXY в природной среде по сравнению с SUC. Однако этот вывод не подтверждается данными по фенетическому составу выборок из Иркутска, в которых мы не выявили различий по частоте морф в сборах имаго по сравнению со сборами куколок или личинок, которые достигали имагинальной стадии в лабораторных условиях при кормлении тем видом корма, которым они питались в природе (табл. 2).Выявленное нами на байкальском побережье равновесное соотношение частот морф AXY и SUC, ранее отмечалось в Байкальске (сентябрь, 1983), где доля морфы SUC составляла 47% (Воронцов, Блехман, 1986).
Доля морфы SUC на уровне 50% отмечалась в популяциях Восточного Забайкалья (Бутько, 2005; Блехман, 2009), однако механизмы, приводящие к сходному фенетическому составу популяций в Читинской области и Прибайкалье, с нашей точки зрения разные.
Таблица 3. Частоты морф в популяциях H.axyridis в Прибайкалье
SUC AXY
Таблица 4. Частоты морф в популяциях H.axyridis в ПрибайкальеSUC AXY
Восточное Забайкалье справедливо считают зоной гибридизации дальневосточной и сибирской H.axyridis, различия между которыми, по мнению ряда авторов, соответствуют подвидовому уровню (Воронцов, Блехман, 2001; Захаров, Блехман, 2001).Увеличение частоты морфы SUC в Восточном Забайкалье происходит с запада на восток и сопровождается увеличением частоты носителей элитрального гребня (Корсун, 1999). Сочетание гребня с рисунком надкрылий SUC свойственно дальневосточным популяциям хармонии.
В Иркутской области нами отмечено увеличение частоты морфы SUC на берегах оз. Байкал, но при этом доля носителей гребня здесь остается чрезвычайно низкой, что свойственно сибирским популяциям (рис. 4).
Доля особей, % Рис. 4. Частоты встречаемости элитрального гребня и морфы succinea в популяциях H.axyridis в Прибайкалье и Восточном Забайкалье.
2009 г. – собственные данные; 1982, 1998 и 2006 гг. – данные А.В. Блехман (2008).
Изменение фенооблика прибайкальских популяций не связано с процессом межпопуляционной гибридизации дальневосточной и сибирской H.axyridis. В зоне активного обмена генетическим материалом между данными популяционными группами у гибридных особей должен в фенотипе проявляться типичный для хармонии с Дальнего Востока признак – элитральный гребень, так как он является доминантным (Komai, 1956). Однако у подавляющего большинства жуков морфы SUC в Прибайкалье гребень отсутствует. Поэтому мы предполагаем, что рост частот морфы SUC, отмеченный в 2009 и 2010 гг. на берегу оз. Байкал, произошел не за счет межпопуляционной гибридизации, а путем реализации внутренних резервов местной популяции. В среднем у 50% особей (табл. 4) произошел выход в гомозиготное состояние аллели SUC, которая присутствует в генофонде данной популяции в гетерозиготной форме.
Доминантная аллель AXY маскирует присутствие рецессивной SUC, которая гораздо реже проявляется в фенотипе. Например, если в популяции из Иркутска доля морфы SUC составляет 7-18%, то частота гертерозигот по этой рецессивной аллели достигает 38%.
Высокая степень геретозиготности в прибайкальских популяциях по рецессивной аллели SUC обуславливает значительную вариабельность их фенетического состава. В Приморье подавляющее большинство особей гомозиготны по аллели SUC, что обеспечивает высокую стабильность доминирования одноименной морфы.
Незначительная часть особей морфы SUC из прибайкальских популяций имели характерное каплевидное пятно на вершинной части надкрылий. Данному варианту морфы SUC мы дали название SUC-drop (рис. 5в, №2).
Рисунок доминирующей в Прибайкалье морфы AXY, как правило, состоит из шести хорошо различимых пятен красно-оранжевого цвета на черном фоне (рис. 5а, №1). В прибайкальской популяции были выявлены особи с отклонениями в рисунке от классического варианта (рис. 5а, №2-16). Особей с одинаковыми вариантами рисунка AXY скрещивали друг с другом. В потомстве F2-F3 были получены линии №1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12 (рис. 5а). В этих линиях родительский вариант рисунка надкрылий наследуется без расщепления.
Кроме того, мы выделили ранее не описанный у H.axyridis вариант рисунка, состоящий из одного небольшого серповидного пятна, расположенного у основания надкрылья (рис. 5б). Гибридологический анализ в трех последовательных поколениях позволил выявить характер наследования этого рисунка в потомстве самки-основательницы, которую мы скрестили с несколькими самцами морфы SUC. В потомстве F1 все жуки воспроизводили родительские морфы в соответствии с принципом мозаичного доминирования: базальные серповидные пятна от матери сочетались со стандартным для SUC набором пятен (фенотип отца). При скрещивании жуков F1 между собой в потомстве F2 было выявлено расщепление:
26% SUC, 20% жуков с фенотипом самки-основательницы и 54% - геретозиготы, несущие пятна обоих родителей. При скрещивании между собой жуков материнского типа мы получили однородное потомство, которое наследовало рисунок надкрылий от самки-основательницы (рис. 5б).
Очевидно, что базальные серповидные пятна (рис. 5б) являются единственным элементом рисунка AXY, который присутствует во всех вариантах данной морфы (рис. 5а). Можно предположить, что морфа AXY детерминирована не одной аллелью, как это предполагалось ранее (Таn, 1946), а несколькими генами сложного локуса. Эти гены проявляют себя как истинные аллели в тестах на аллелизм, но разделяются в процессе кроссинговера. Гипотезу о псевдоаллелизме генов рисунка надкрылий у хармонии выдвигали ранее Комаи и Чино (Komai, Chino, 1969). С нашей точки зрения, у морфы AXY основная аллель детерминирует только среповидные пятна у переднеспинки (рис. 5б). Остальные темные элементы рисунка формируются за счет генов-модификаторов.
Сходный генетический механизм наследования рисунка надкрылий известен у двухточечной коровки (Adalia bipunctata L.). Локус, определяющий рисунок, является сложным. Он содержит основную аллель и гены-модификаторы. Появление редких вариантов рисунка связано с рекомбинацией внутри сложного локуса (Захаров, 1995).
Значительная вариабельность формы светлых пятен на темном фоне отмечались ранее у морфы AXY в Восточном Забайкалье (Бутько, 2005). Существует предположение, что так проявляется в фенотипе гетерозиготность по аллелям SUC и AXY (Корсун, 1999; Бутько, 2005). Однако мы считаем, что невозможно объяснить выявленную нами изменчивость рисунка морфы AXY (рис. 5 а), используя только принцип мозаичного доминирования, в соответствии с которым темноокрашенные области на надкрыльях H.axyridis проявляются там, где они были расположены у родителей.
«