Популяционная структура и экологические особенности разных морф harmonia axyridis pall. (coleoptera, coccinellidae) шифр и наименование
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 консультант:
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 диссер тационного совета Д 006.015.01 при Всероссийском научно исследовательском 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 на учно-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, Coccinel lidae) – высокоэффективный энтомофаг, которого используют для защиты расте ний 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 ост рова, Корейский п-ов (Кузнецов, 1993). Южные границы ареала H.axyridis дости гают 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 массо вые выпуски жуков из дальневосточных популяций для подавления тлей, кокцид и цикад (Koch et al., 2006). В настоящее время на востоке Европы хармония дос тигла 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 ин терес 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 дальневосточны ми популяциями (Корсун, 1999;
Бутько, 2004;
Dobzhansky, 1951). Кроме того, фе нетически сильно отличаются друг от друга популяции H.axyridis с восточного побережья Китая и Японских островов. В японских популяциях доля темноокра шенных морф conspicua и spectabilis в несколько раз выше по сравнению с вос точно-китайскими материковыми популяциями (Komai et al., 1950). В связи с этим интерес представляют данные о фенетической структуре корейских популя ций H.axyridis, локализованных между Восточным Китаем и Японскими остро вами.
Существует предположение, что представители различных морф H.axyridis отличаются по биотопической приуроченности, пищевым предпочтениям и ре продуктивному потенциалу (Dobzhansky, 1951;
Komai, Hosino, 1951;
Soares et al., 2005). Для проверки этой гипотезы необходимо продолжить исследования эколо гических особенностей различных морф H.axyridis. Это расширит наши пред ставления об адаптивной стратегии хармонии, а также позволит в полной мере реализовать ее потенциал как энтомофага в системах биологической защиты рас тений 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 ком плексов 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 предотвра тят распространение хармонии за пределами теплиц. Возможным решением яв ляется использование для колонизации в защищенном грунте бессамцовых линий H.axyridis. Отсутствие самцов предотвратит нежелательное распространение хармонии за пределами теплиц. Исходя из этого, целесообразно провести выде ление бессамцовых линий H.axyridis и первичную оценку перспектив их исполь зования в биологической защите растений.
Цель работы. Сравнить фенетическую и половую структуру прибайкаль ских и дальневосточных популяций H.axyridis, оценить экологические особенно сти 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 элит рального гребня в популяциях из Прибайкалья, Приморья и с Корейского полу острова.
2. Оценить прожорливость, продолжительность личиночного развития, по требляемую биомассу и вес имаго у H.axyridis разных морф при питании перси ковой, 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, выде лить 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. Вы явлен характер наследования этих элементов.
Проведена сравнительная оценка прожорливости и пищевых предпочтений 6 морф H.axyridis, в том числе редких. Выявлена значительная генетическая гете рогенность популяций H.axyridis по прожорливости, потребляемой и усваивае мой биомассе, а также по продолжительности личиночного развития.
Практическая значимость. На основе оценки пищевых предпочтений у личинок и имаго H.axyridis сформирована культура характеризующаяся рисун ком надкрылий aulica, которая отличается повышенной прожорливостью при пи тании 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 «Фи тосанитарное обеспечение устойчивого развития агроэкосистем» (Орл, 2008), международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы энто мологии» (Ставрополь, 2008, 2009), международной научно-практической эколо гической 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, вы водов, практических рекомендаций и списка использованной литературы, вклю чающего 185 источника, в том числе 124 на иностранных языках. Работа изложе на 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 (литературный обзор) В обзоре литературы приведены основные биологические особенности H.axyridis, описан комплекс морфологических, экофизиологических, поведенче ских 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.
ГЛАВА 2. Материалы и методы Сбор имаго, куколок и личинок H. axyridis проводили на территории Иркут ской области, Приморского края и Республики Корея. Особей сортировали по полу, рисунку надкрылий (рис. 1, 2) и наличию элитрального гребня.
Рис. 1. Основные морфы H.axyridis.
1 – succinea (далее SUC), 2 – axyridis (AXY), 3 – spectabilis (SPC), 4 – conspicua (CON).
Среднее число морф рисунка надкрылий в популяции рассчитывали по фор муле: p1... pm, где p1, …, pm – частоты морф. Достоверность разли чий между популяциями оценивали по критерию хи-квадрат (Животовский, 1991). Долю гетерозигот в популяции рассчитывали по формуле Харди Вайнберга с учетом последовательного доминирования аллелей:
CONSPCTRPAXYTRFINTAULSUC (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 ис пользовали злаковую тлю на срезанных растениях пшеницы и яйца зерновой мо ли, наклеенные на картонные карточки. Яйцекладки собирали ежесуточно. Полу ченных 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 го мозиготное 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 за кладывали бессамцовые линии.
Для статистической обработки полученных данных использовали Т критерий Стьюдента, а также проводили корреляционный и дисперсионный ана лиз 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.
Место Дата Число Частоты морф, % сбора сбора особей SUC SPC CON AXY AUL INT TRF TRP Приморский край Владивосток VII.2009 168 88,1 5,9 5,4 0 0,6 0 0 Камень-Рыболов VII.2009 368 85,9 5,7 7,9 0 0,3 0 0 0, Уссурийск VII.2009 744 86,0 8,1 5,8 0,1 0 0 0 Уссурийск VII.2008* 146 96,6 1,4 2,1 0 0 0 0 Уссурийск IX.2008* 646 87,3 5,7 6,9 0 0 0 0 Корейский п-ов Нонсан XI.2008 1206 91,1 3,6 5,1 0 0 0 0,1 0, Нонсан III.2007 131 91,6 3,1 5,3 0 0 0 0 III.2007 431 60,6 11,4 6,5 0 17,4 4,2 0 о-в Чеджу * - сборы А.Г. Коваля и В.И. Потемкиной Фенетический состав популяций хармонии на Корейском п-ове и в При морье отличается высокой стабильностью. Суммируя собственные и литератур ные данные, можно отметить, что в течение последних 50 лет (с 1959 г.) доля до минирующей 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 дальнево сточных 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 сбо рами 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 забайкаль ских 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 высо кой 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 до казано в лабораторных экспериментах (Okada et al., 1978;
Sasaji, 1981). Наличие H.yedoensis может быть одним из факторов, влияющих на фенетическую струк туру 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 ок рестностях Владивостока (2009 г.).
Островная популяция из Чеджу отличается значительным фенетическим разнообразием по сравнению с материковыми популяциями из Приморья и с Ко рейского 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%, соответст венно (табл.2). Микрогеографические флуктуации частот морф у хармонии могут быть результатом колебаний численности в разных точках и, как следствие, слу чайным дрейфом генов, сдвигающим частоты морф.
Таблица 2. Частоты морф в популяциях H.axyridis в Иркутске и его окрестностях.
Место Стадия Дата Растение Число особей Частоты морф, % сбора развития SUC AXY окр. Иркутска VII.2009 имаго ива 61 3,3 96, (берег р. Иркут) VII.2009 куколки ива 102 8,8 91, VII.2010 куколки ива 52 5,8 94, VII.2010 имаго ива 35 8,6 91, 2009-2010 250 6,8 93, Иркутск VII.2010 куколки ива 83 22,9 77, (берег р. Ангары) VII.2010 личинки ива 56 21,4 78, VII.2010 имаго вяз 62 16,1 83, VII.2010 куколки вяз 88 14,8 85, VII.2010 куколки боярышник 49 16,3 83, 2010 338 18,3 81, 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 сокращал ся до 41-56% (табл. 4). На первый взгляд, это свидетельствует о повышенной смертности куколок морфы AXY в природной среде по сравнению с SUC. Одна ко 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 час тот 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 За байкалья (Бутько, 2005;
Блехман, 2009), однако механизмы, приводящие к сход ному фенетическому составу популяций в Читинской области и Прибайкалье, с нашей точки зрения разные.
Таблица 3. Частоты морф в популяциях H.axyridis в Прибайкалье (сбор на стадии личинки и куколки).
Место Стадия раз- Число Дата Растение Частоты морф, % сбора вития особей SUC AXY Байкальск куколки черемуха 86 23,3 76, 30.07. куколки черемуха 69 20,3 79, 26.07. личинки черемуха 30 20,0 80, 26.07. 2010 185 21,6 78, Слюдянка личинки черемуха 31 6,5 93, 17.07. личинки черемуха 165 10,9 89, 21.07. куколки черемуха 99 17,2 82, 21.07. личинки боярышник 49 12,2 87, 21.07. куколки боярышник 175 13,1 86, 21.07. куколки боярышник 86 12,8 87, 21.07. 2009-2010 623 13,2 86, порт личинки черемуха, ива 87 13,8 86, 15.07. Байкал куколки черемуха 99 8,1 91, 28.07. личинки черемуха 17 11,8 88, 28.07. 2009-2010 203 10,7 89, Листвянка куколки черемуха 38 21,1 78, 01.08. личинки черемуха 28 14,3 85, 01.08. 2010 66 18,2 81, Таблица 4. Частоты морф в популяциях H.axyridis в Прибайкалье (сбор на стадии имаго).
Число Место сбора Дата Растение Частоты морф, % особей SUC AXY Слюдянка VII.2009 черемуха, крапива 58 59,3 40, порт Байкал VII.2009 черемуха, ива, борщевик 91 45,1 53, Байкальск VII.2010 черемуха 36 43,8 56, Восточное Забайкалье справедливо считают зоной гибридизации дальнево сточной и сибирской H.axyridis, различия между которыми, по мнению ряда ав торов, соответствуют подвидовому уровню (Воронцов, Блехман, 2001;
Захаров, Блехман, 2001).
Увеличение частоты морфы SUC в Восточном Забайкалье происходит с за пада на восток и сопровождается увеличением частоты носителей элитрального гребня (Корсун, 1999). Сочетание гребня с рисунком надкрылий SUC свойствен но дальневосточным популяциям хармонии.
В Иркутской области нами отмечено увеличение частоты морфы SUC на бе регах оз. Байкал, но при этом доля носителей гребня здесь остается чрезвычайно низкой, что свойственно сибирским популяциям (рис. 4).
80% 60% Доля особей, % 40% 20% 0% 1998 2009 1982 2009 2009 Иркутск порт Байкал Слюдянка Часучей Иркусткая обл. (Читинская обл.) с элитральным гребнем морфа succinea Рис. 4. Частоты встречаемости элитрального гребня и морфы succinea в популя циях 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 зо не 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 являет ся 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, про изошел не за счет межпопуляционной гибридизации, а путем реализации внут ренних резервов местной популяции. В среднем у 50% особей (табл. 4) произо шел выход в гомозиготное состояние аллели SUC, которая присутствует в гено фонде 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 рецес сивной аллели SUC обуславливает значительную вариабельность их фенетиче ского состава. В Приморье подавляющее большинство особей гомозиготны по аллели SUC, что обеспечивает высокую стабильность доминирования одноимен ной 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).
б а в Рис. 5. Варианты рисунка морф AXY (а и б) и SUC (в).
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 отклонения ми в рисунке от классического варианта (рис. 5а, №2-16). Особей с одинаковыми вариантами рисунка AXY скрещивали друг с другом. В потомстве F2-F3 были по лучены линии №1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12 (рис. 5а). В этих линиях родительский ва риант 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 основа ния надкрылья (рис. 5б). Гибридологический анализ в трех последовательных по колениях 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 соответст вии 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 материн ского типа мы получили однородное потомство, которое наследовало рисунок надкрылий от самки-основательницы (рис. 5б).
Очевидно, что базальные серповидные пятна (рис. 5б) являются единствен ным элементом рисунка AXY, который присутствует во всех вариантах данной морфы (рис. 5а). Можно предположить, что морфа AXY детерминирована не од ной аллелью, как это предполагалось ранее (Таn, 1946), а несколькими генами сложного локуса. Эти гены проявляют себя как истинные аллели в тестах на ал лелизм, 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 детермини рует 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. Появ ление редких вариантов рисунка связано с рекомбинацией внутри сложного ло куса (Захаров, 1995).
Значительная вариабельность формы светлых пятен на темном фоне отмеча лись 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), ис пользуя только принцип мозаичного доминирования, в соответствии с которым темноокрашенные области на надкрыльях H.axyridis проявляются там, где они были расположены у родителей.
Против гипотезы о гетерозиготности особей с нестандартным рисунком AXY косвенно свидетельствует тот факт, что их доля в популяциях из Иркутской области не превышает 3-4%. Это в 10 раз меньше теоретически ожидаемой часто ты гетерозигот по аллелям SUC и AXY, рассчитанной по уравнению Харди Вайнберга.
Подводя итог анализа фенетического состава прибайкальских популяций, можно отметить следующее: разнообразие морф хармонии в Прибайкалье гораз до шире, чем это считалось ранее.
3.3. Половая структура популяций H.axyridis Проведена сравнительная оценка соотношения полов в природных популя циях H.axyridis в Прибайкалье, Приморье и в центральной части Корейского по луострова (Нонсан). В большинстве тестированных выборок отмечен сдвиг в со отношении полов в сторону самок, доля которых составила 54-67% (рис. 6).
Исходя из литературных данных, мы предположили, что сдвиг в соотноше нии полов в популяциях H. axyridis обусловлен наличием самок, зараженных альфа-протеобактериями рода Spiroplasma, которые наследуются цитоплазмати чески по материнской линии и убивают эмбрионы мужского пола (Majerus et al., 1998).
Для проверки этой гипотезы в индивидуальных кладках, полученных от при родных самок, оценивали уровень стерильности. От семей с повышенным уров нем эмбриональной гибели закладывали линии. В 3-х линиях (из 30-ти тестиро ванных) было выявлено стабильное наследование стерильности на уровне 40 60%, а доля самок в потомстве F2-F4 составила 99,8%. Это косвенно свидетельст вует о присутствии в популяции из Нонсана самок, зараженных андроцидными бактериями.
80% 70% Доля самок, % 60% 50% 40% 30% 2009, 2009, 2009, 2009, 2009, 2008, 2007, июль июль июль июль июль июль октябрь ноябрь ноябрь март 2008, 2008, 2008, Иркутск п. Камень Влади Уссурийск Нонсан, Сесил Нонсан, лаб.
Байкал Рыболов восток- парк попул.
Рис. 6. Соотношение полов в популяциях H. axyridis.
Выделенные бессамцовые линии хармонии могут быть использованы в за щищенном грунте в Европейской части РФ. При внесении в теплицу инкубиро ванных яйцекладок личинки I возраста будут питаться погибшими мужскими эм брионами, что повысит их шансы на выживание. Отсутствие самцов в биомате риале, использованном для колонизации, предотвратит нежелательное распро странение H.axyridis за пределами теплиц.
ГЛАВА 4. Экологические особенности Harmonia axyridis разных морф 4.1. Прожорливость и продолжительность развития личинок при питании одним видом жертвы Среднесуточную прожорливость личинок оценивали при питании персиковой или бобовой тлей. Выявлено, что при температуре 24С особи морфы AUL в IV ли чиночном возрасте достоверно (p0.05) более прожорливы в при питании персиковой тлей (рис.7).
особей тли в сутки Прожорливость, бобовая бобовая бобовая персиковая персиковая персиковая тля тля тля тля тля тля axyridis aulica succinea I возраст II возраст III возраст IV возраст Рис. 7. Среднесуточная прожорливость личинок H.axyridis (t=24 С).
При температуре 26С эта тенденция сохраняется, хотя различия при попар ном сравнении средних не достоверны. По результатам дисперсионного анализа, совместное влияние морфы и вида корма на прожорливость достоверно (p0,01), его сила составляет 20-32%. Наличие сильного взаимодействия между данными факторами свидетельствует о том, что выявленная нами тенденция к повышению прожорливости у личинок AUL на персиковой тле не является случайной.
Имаго, которые были получены из личинок в данном опыте, взвешивали.
Максимальный средний вес (33,32,25 мг) был зафиксирован у самок морфы AUL, выкормленных на персиковой тле.
Вес имаго после выхода из куколки зависит от прожорливости личинок.
Сила влияния этого фактора составляет 41,4% и 47,3% у самцов и самок соответ ственно. На этом фоне влияние морфы не достоверно или является слабым. Сле довательно, различие по весу у имаго разных морф определяется различием в прожорливости личинок.
4.2. Пищевые предпочтения личинок в условиях выбора жертвы При питании личинок H.axyridis смесью бобовой и злаковой, а также бобо вой и персиковой тлями выявлены существенные различия по прожорливости между особями разных морф (табл. 5, 6). Максимальное количество бобовой тли в обоих вариантах опыта поедали личинки морфы CON.
Таблица 5. Общая прожорливость личинок H.axyridis при питании бобовой тлей в смеси со злаковой или персиковой тлями (соотношение жертв 1:1).
Количество особей бобовой тли Вариант 1 – злаковая и Вариант 2 – персиковая и Морфа бобовая тли бобовая тли succinea 2088,8 2159, aulica 2077,2 20221, intermedia 2138,7 2047, axyridis 2067,6 2148, spectabilis 1977,6 2037, conspicua 2177,2 2427, Всего 2092,9 2154, Достоверность влияния фактора (морфа) p0, Сила влияния фактора 17,2% Таблица 6. Общая прожорливость личинок H.axyridis при питании злаковой или персиковой тлями в смеси с бобовой тлей (соотношение жертв 1:1).
Количество особей Количество особей Морфа злаковой тли персиковой тли succinea 39911,8 2255, aulica 3949,7 21411, intermedia 40311,9 2224, axyridis 41410,3 2314, spectabilis 39110,3 2234, conspicua 3969,7 2584, Всего 3994,1 2292, Достоверность влияния фактора (морфа) p0,05 p0, Сила влияния фактора - 61,5% Различия между морфами по индексу пищевого предпочтения выявлены только в варианте опыта со злаковой и бобовой тлями (рис. 8).
Рис. 8. Индекс пищевого предпочтения у личинок H.axyridis в III возрасте при питании бобовой тлей в смеси со злаковой или персиковой тлями (соотношение жертв 1:1).
У особей морфы INT в III личиночном возрасте отмечено ярко выраженное предпочтение к злаковой тле, индекс пищевого предпочтения которой составил 0,698 (рис. 8). В IV возрасте этот показатель снизился до 0,5.
4.3. Прожорливость, потребление биомассы и привес имаго в условиях выбора жертвы При кормлении имаго бобовой тлей в смеси со злаковой или персиковой тлями существенных различий по прожорливости между особями разных морф не выявлено. Отмеченное снижение прожорливости при использовании персико вой тли в смеси с бобовой, в основном обусловлено разницей в весе жертв. Пер сиковая тля весит 0,43±0,105 мг, что в 4 раза больше веса злаковой тли (0,19±0,031 мг).
В варианте опыта с персиковой тлей суточная прожорливость имаго ниже, чем в варианте опыта со злаковой тлей (табл. 7). Однако разница по суточному потреблению биомассы при использовании разных вариантов корма не превыша ет 1-2 мг.
Таблица 7. Суточная прожорливость имаго H.axyridis при питании бобовой тлей в смеси со злаковой или персиковой тлями (соотношение жертв 1:1).
Вариант опыта Пол Съедено бобовой тли Съедено злаковой тли Смесь: бобовая и самка 25,90,59 28,50, злаковая тли самец 26,30,46 28,40, Съедено персиковой тли Смесь: бобовая и самка 22,50,52 24,20, персиковая тли самец 21,90,83 23,70, При кормлении H.axyridis смесью бобовой и злаковой тли выявлены суще ственные различия между имаго разных морф по суточному привесу. Привес у имаго морф INT, AXY и CON в 2-2,5 раза больше, чем у имаго SPC и SUC (рис. 9).
2,5 Суточный привес жуков, мг Суточная прожорливость, 2,0 особей тли в сутки 1,5 1,0 0,5 0,0 axyridis conspicua intermedia spectabilis succinea суточный_привес_мг морфы суточная прожорливость (злаковая тля) суточная прожорливость (бобовая тля) Рис. 9. Суточная прожорливость и привес имаго H.axyridis разных морф при пи тании смесью злаковой и бобовой тлей.
Достоверность выявленных различий подтверждается результатами диспер сионного анализа (табл. 8). На величину суточного привеса имаго при кормлении смесью бобовой и злаковой тлей высоко достоверное влияние оказывает морфа (p0,01).
Таблица 8. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа по оценке влия ния морфы и пола на суточный привес имаго H.axyridis при питании смесью зла ковой и бобовой тлей.
Вариант опыта Фактор злаковая и бобовая тля персиковая и бобовая тля p сила влияния фактора, % p сила влияния фактора, % морфа 0,002 42,6 0,990 1, пол 0,016 16,5 0,096 12, морфа и пол 0,592 10,2 0,277 15, Выявленные нами различия между морфами по суточному привесу свиде тельствуют о том, что особи INT, AXY и CON лучше усваивают злаковую тлю, чем бобовую. Хотя по прожорливости морфы в пределах одного варианта опыта не отличаются друг от друга.
Подводя итоги серии лабораторных опытов по оценке пищевых предпочте ний, прожорливости и др. показателей у разных морф хармонии, следует отме тить следующее. Нами выявлены различия между лабораторными популяциями, маркированными по рисунку надкрылий:
1. H.axyridis морфы AUL отличается от AXY и SUC более высокими прожорли востью личинок старших возрастов и весом самок при питании персиковой тлей.
2. В условиях выбора жертвы личинки H.axyridis III возраста морфы INT предпочи тают злаковую тлю (индекс пищевого предпочтения 0,698) бобовой тле.
3. При питании личинок H.axyridis смесью бобовой и персиковой тлей особи морфы CON характеризуются наибольшей прожорливостью и потребляемой биомассой.
4. При кормлении имаго H.axyridis смесью бобовой и злаковой тлей привес у имаго морф INT, AXY и CON в 2-2,5 раза больше, чем у имаго SPC и SUC.
Полученный результат отражает высокий уровень гетерогенности по тес тированным показателям в популяциях хармонии. Учитывая методические осо бенности1 поставленных опытов, мы считаем, что выявленная гетерогенность но сит наследственный характер, а различия определяются в значительной степени фактором семьи (в нашем случае – принадлежностью к фенотипически маркиро ванной линии).
По всем тестированным показателям доминирующая морфа SUC находи лась на среднем для корейской популяции H.axyridis уровне. Это подтверждает предположение о том, что данная морфа отличается средней, но стабильной ре продукцией на широком спектре жертв. Ранее в литературе высказывались пред положения о том, что морфа SUC отличается от других более высокой пластич ностью (Berkvens et al., 2008).
Выделенные нами и тестированные по ряду показателей линии хармонии, маркированные по рисунку надкрылий, послужат исходным материалом для се лекции H.axyridis на повышенную прожорливость при питании определенным видом тли.
Скрещивания необходимые для гомозиготизации аллелей элитрального рисунка, а затем внутрилинейное разведение гомозигот в течение нескольких поколений привели к тому, что возрос уровень родства между особями одной морфы внутри каждой из фенотипически марки рованных линий.
ВЫВОДЫ 1. Многолетняя и сезонная динамика частот морф в приморских и корей ских популяциях H.axyridis отличается высокой стабильностью. Доминирует морфа succinea, доля которой колеблется в пределах 90-92%. Элитральный гре бень отмечен у 96-98% особей в Приморье и у 82-86% на Корейском п-ове.
2. Популяция H.axyridis на о-ве Чеджу отличается от материковых значи тельным фенетическим разнообразием;
частота морф aulica и intermedia здесь в 20 раз выше, чем на Корейском п-ове и в Приморье.
3. В прибайкальской популяции H.axyridis доминирует морфа axyridis, доля которой колеблется в пределах 78-89%. Элитральный гребень отмечен у 2-18% особей, что свидетельствует о том, что в данном регионе не происходит гибриди зации между дальневосточными и сибирскими популяциями.
4. Доминирующая в Прибайкалье морфа axyridis детерминирована несколь кими генами сложно локуса, среди которых основная аллель детерминирует серповидных базальных пятна на светлом фоне. Остальные темные элементы ри сунка формируются за счет рекомбинации генов-модификаторов внутри сложно го локуса, что создает генетическую основу для значительного фенетического разнообразия прибайкальских популяций H.axyridis.
5. Сдвиг в соотношении полов в сторону самок (65-67%) отмеченный в прибайкальских и приморских популяциях H.axyridis, отчасти обусловлен нали чием самок, дающих чисто женское потомство.
6. Морфа succinea отличается средним для корейской популяции H.axyridis уровнем прожорливости, продолжительности развития и привеса имаго при пи тании разными видами жертв;
имаго не имеют ярко выраженных пищевых пред почтений, что в целом свидетельствует об универсальности и высокой пластич ности морфы succinea, составляющей ядро популяций на Дальнем Востоке, в Ев ропе и Америке.
7. В корейской популяции H.axyridis выявлен высокий уровень генетиче ской гетерогенности по прожорливости, пищевым предпочтениям и привесу има го, что определяет ее высокий адаптивный потенциал.
Практические рекомендации 1. Для борьбы с персиковой тлей в защищенном грунте рекомендована ли ния H.axyridis, маркированная рисунком надкрылий aulica, которая отличается повышенной прожорливостью при питании данным вредителем.
2. Для применения в теплицах на Европейской части РФ рекомендованы выделенные бессамцовые линии H.axyridis.
Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, ре комендованных Перечнем ВАК РФ.
Балуева, Е.Н. Фенотипическая изменчивость кокцинеллиды Harmonia axyridis по рисун ку надкрылий и наличию элитрального гребня / Балуева, Е.Н. // Естественные науки. –2009. – №3. – С. 8-15.
Белякова, Н.А., Экологические особенности трех морфотипов кокцинеллиды Harmonia axyridis Pallas / Белякова, Н.А., Балуева, Е.Н. // Известия Санкт-Петербургского государст венного аграрного университета. – 2009, – № 14. – С. 54-59.
Белякова, Н.А. Пищевые предпочтения кокцинеллиды Harmonia axyridis Pall. и перспек тивы ее использования для биологической защиты растений / Белякова, Н.А., Балуева, Е.Н. // Доклады РАСХН, – 2009, – №5, – С.30-32.
Статьи, опубликованные в других научных журналах и сборниках, материалах международных и всероссийских съездов и конференций Балуева, Е.Н. Сравнительная оценка экологических особенностей Harmonia yedoensis Takiz. и Harmonia axyridis Pall. (Coccinellidae) / Балуева, Е.Н. // Проблемы защиты растений в условиях современного сельскохозяйственного производства: материалы науч. конф., ВИЗР, – СПб, – 2009, – C. 7-8.
Балуева, Е.Н. Редкие морфотипы Harmonia axyridis Pall. (Coccinellidae) в популяциях Корейского полуострова / Балуева, Е.Н. // Труды Ставропольского отд. РЭО, вып. 5, Материа лы Второй Международной научно-практической интернет-конф.«Актуальные вопросы энто мологии», 1 марта 2009 г., Ставропольский государственный аграрный университет. – Ставро поль, – АГРУС, – 2009, – C. 40-43.
Балуева, Е.Н. Выделение редких феноформ Harmonia axyridis и перспективы их исполь зования в биологической защите растений / Балуева, Е.Н. // Фитосанитарное обеспечение ус тойчивого развития агроэкосистем: материалы межд. науч.-практ. конф., Орел, 18-20 марта 2008 г. – Орел: Изд-во ОрелГАУ, –2008. – C. 151-153.
Белякова, Н.А., Фенотипическая структура популяций Harmonia axyridis Pall.
(Coccinellidae) / Белякова, Н.А., Балуева, Е.Н. // Труды Ставропольского отд. РЭО, вып. 4 Ак туальные вопросы энтомологии: материалы межд. научно-практической конф. Ставрополь, 10 12 сентября 2008 г. – Ставропольской государственный аграрный университет. – АГРУС, – 2008, – C. 66-70.
Балуева, Е.Н. Сохранение генотипического полиморфизма в лабораторных культурах кокцинеллиды Harmonia axyridis / Балуева, Е.Н. // Живые объекты в условиях антропогенно го пресса: материалы международ. межд. науч.-практ. экологич. конф., Белгород, 22-25 сентяб ря 2008 г. – Белгород, – 2008. – С. 15- Белякова, Н.А. Фенотипическая изменчивость и наследуемая бессамцовость в популяци ях кокцинеллиды Harmonia axyridis Pall. на территории Кореи / Белякова, Н.А., Балуева, Е.Н.
// Достижения энтомологии на службе агропромышленного комплекса, лесного хозяйства и медицины: Тез. докл. ХIII съезда РЭО, Краснодар, 9-15 сентября 2007 г. – Краснодар, – 2007. – С.25-26.
Белякова, Н.А. Перспективы использования полиморфных культур и бессамцовых линий Harmonia axyridis для биологической защиты растений / Белякова, Н.А., Балуева, Е.Н. // Ин форм. бюл. ВПРС МОББ. – 2007. – № 38. – С. 35-39.
Научное издание. RIZO-печать ООО "ИННОВАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ" Лицензия ПЛД № 69-253. Подписано к печати 24 сентября 2010 г., тир. 100 экз.