Внутривидовая изменчивость и фотопериодическая пластичность температурных норм развития у жуков-листоедов (coleoptera, chrysomelidae)

На правах рукописи

КУЧЕРОВ Дмитрий Александрович ВНУТРИВИДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ФОТОПЕРИОДИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НОРМ РАЗВИТИЯ У ЖУКОВ-ЛИСТОЕДОВ (COLEOPTERA, CHRYSOMELIDAE) Специальность: 03.02.05 – энтомология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 2011 2  

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Научный консультант:

Доктор биологических наук, профессор Владилен Евгеньевич Кипятков Санкт-Петербургский государственный университет

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук Сергей Яковлевич Резник Зоологический институт РАН Доктор биологических наук Анатолий Иванович Анисимов Санкт-Петербургский государственный аграрный университет Ведущее учреждение:

Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений РАСХН

Защита состоится 15 декабря 2011 г. в 16 часов на заседании совета Д.212.232.08 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт Петербург, Университетская наб., 7/9, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. Горького СПбГУ.

Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук Ягунова Е.Б.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Эволюция жизненных циклов – одна из центральных проблем биологии. Трудно подобрать для её исследования более подходя щую группу, чем насекомые: они освоили все доступные местообитания на суше и в пресных водах, немало видов имеют широкие ареалы, простираю щиеся через ряд географических зон. Всё это даёт прекрасную возможность изучать на примере насекомых микро- и макроэволюцию жизненных циклов, и в том числе столь важных в адаптивном отношении параметров, как темпе ратурные нормы развития. Многие вопросы, касающиеся взаимосвязей ско рости развития и размеров тела, экологического контроля этих признаков ос таются пока слабо исследованными. Почему одни насекомые мельче, а дру гие крупнее? Почему одни развиваются медленнее, а другие – быстрее, даже если занимают сходные экологические ниши? Как температура и фотопериод регулируют скорость роста и развития и как эти факторы могут взаимодейст вовать? Несмотря на массу опубликованных статей и книг, эта область эко логии до сих пор полна загадок и неразрешённых проблем. Поиск ответов позволит лучше понять закономерности приспособления организмов к среде обитания и механизмы эволюционного процесса.

Объект, цель и задачи исследования. В качестве объекта исследования мы выбрали одно из крупнейших семейств – жуков-листоедов (Coleoptera, Chry somelidae). Они важны как вредители сельскохозяйственных культур и аген ты биоконтроля сорных растений, а потому сравнительно хорошо изучены.

Монофилия листоедов подтверждена как морфологическими (Reid, 1995), так и молекулярными (Gmez-Zurita et al., 2007, 2008) данными. Следовательно, анализ существующей изменчивости температурных норм развития может пролить свет на то, каким образом происходила эволюция жизненных циклов в этой довольно однородной по биологии группе. Нашей целью было провес ти анализ температурных норм развития у листоедов на разных таксономиче ских уровнях: от популяций отдельных видов до семейства в целом.

Для достижения этой цели мы поставили следующие задачи:

1. обобщить и проанализировать литературные данные по межвидовой и внутривидовой изменчивости температурных норм развития в пределах всего семейства;

2. предпринять поиск межпопуляционных (географических) и внутрипопу ляционных (межсемейных) различий по температурным нормам развития у отдельных видов;

      3. исследовать у нескольких видов листоедов модификационную изменчи вость температурных норм развития, в частности – влияние фотопериода на наклон линии регрессии скорости развития по температуре, сумму градусо-дней и нижний температурный порог.

Научная новизна. Аналогичное по полноте исследование температурных норм развития было проведено ранее только на муравьях (Kipyatkov, Lopatina, 1998;

и др.). Впервые обобщены многочисленные литературные данные по температурным нормам развития для жуков-листоедов. Впервые экспериментально показана географическая изменчивость продолжительно сти развития и массы тела у колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata) в его вторичном ареале. Обнаружена внутрипопуляционная (межсемейная) на следственная изменчивость по данным параметрам у четырёх видов. Впервые исследована фотопериодическая модификация температурных норм развития у листоедов.

Теоретическая и практическая ценность. Обобщение значительного мас сива литературных данных и пополнение их оригинальными исследованиями – важный вклад в эволюционную и физиологическую экологию насекомых.

Одновременный анализ изменчивости температурных норм развития на уровнях выше и ниже видового никем ранее не был сделан, хотя эта пробле ма – одна из ключевых для понимания эволюции жизненных циклов. Влия ние фотопериода на температурные нормы развития насекомых в прошлом не учитывалось: это одна из причин, по которым широко используемое "пра вило суммы эффективных температур" не всегда адекватно описывает фено логию видов в природе. Поэтому полученные нами результаты можно ис пользовать на практике в прогнозировании фенологии и дальнейшего рассе ления экономически важных видов, в том числе колорадского картофельного жука. Знание особенностей эволюции температурных норм развития необхо димо для оценки возможных последствий глобального потепления. Измене ние термического режима неизбежно скажется на распространении видов и структуре сообществ;

это тем более важно, если принять во внимание неза менимую роль, которую насекомые играют в биосфере.

Апробация результатов и публикации. Материалы диссертации были до ложены на Первой Всероссийской молодёжной научной конференции, по свящённой 125-летию биологических исследований в Томском государст венном университете, "Фундаментальные и прикладные аспекты современ ной биологии" (6–9 октября 2010 г.);

на научной конференции "Evolutionary and plastic responses of animal growth to different temperatures: adaptations and constraints" (Тарту, Эстония, 28–30 апреля 2011 г.);

на Международной науч       ной конференции "Фундаментальные проблемы энтомологии в XXI веке" (Санкт-Петербург, 16–20 мая 2011 г.);

на городском научном семинаре "Се зонно-циклические, экофизиологические и этологические адаптации члени стоногих". По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи в отечественных и международных рецензируемых журналах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы (239, из них 195 – на иностранных языках). Диссертация изложена на 171 странице (из них 97 – основной текст), содержит 47 рисунков и 17 таблиц.

Содержание работы Глава 1. История изучения температурных норм развития насекомых В главе кратко излагается история основных подходов к описанию тем пературных норм развития: от разработки концепции "градусо-дней" до со временных биофизических экспоненциальных моделей. Наиболее широко в эволюционно-экологических исследованиях используется линейная модель зависимости скорости развития от температуры. Главными параметрами в ней являются коэффициент линейной регрессии, характеризующий наклон линии регрессии и показывающий, насколько сильна зависимость скорости развития от температуры, и нижний температурный порог – условно опреде ляемая температура, при которой развитие не происходит. Эти два параметра описывают норму реакции организма (более строго – генотипа) на темпера туру по скорости развития, короче – температурную норму развития (ТНР).

При соблюдении ряда требований линейная модель даёт экологически зна чимые результаты, пригодные для сопоставления. Накоплен обширный мас сив таких экспериментальных данных, что позволяет проводить сравнитель ное исследование ТНР на разных таксономических уровнях. Немногочислен ные работы, где такой анализ предпринимался, дают во многом противоре чивую картину, что отчасти обусловлено разнородностью видов по размерам тела и особенностям биологии. Поэтому очень важно использовать для изу чения изменчивости ТНР более однородную группу, как, например, семейст во жуков-листоедов.

Долгое время ТНР считали очень консервативным признаком, который стабилен в пределах вида, однако понемногу накапливаются данные, проти воречащие такой точке зрения. Чтобы оценить роль и место внутривидовой изменчивости в эволюции ТНР, следует исследовать её у значительно боль       шего числа видов, и это также является одной из первостепенных задач на стоящей работы.

Другую сторону изучаемой проблемы составляет фотопериодическая модификация ТНР. Недавно Е.Б. Лопатина с коллегами (Lopatina et al., 2007) исследовали влияние трёх фотопериодов на продолжительность развития клопа-солдатика Pyrrhocoris apterus при пяти температурах. Было показано, что длина дня не просто замедляет или ускоряет развитие, о чём знали и раньше (Saunders, 1983;

Numata et al., 1993), но что она изменяет температур ную норму развития. Короткий день ускоряет развитие при низких темпера турах, а длинный – при высоких. Иными словами, в короткодневных услови ях развитие нимф клопа менее термолабильно, а порог ниже. По мере сокра щения длины дня происходит постепенный поворот линии регрессии, так что порог и термолабильность понижаются. Очевидно, в природе такая реакция способствует более быстрому окрылению имаго, когда осенние дни стано вятся короче и холоднее. Далее авторы названной работы провели обзор дан ных из литературы и показали, что влияние фотопериода на ТНР разнообраз но и широко распространено среди насекомых, однако это явление долгое время оставалось незамеченным. К сожалению, опубликованные данные не всегда годятся для сравнительного анализа, поскольку у предшествующих исследователей обычно были другие цели. Поэтому необходимы многочис ленные эксперименты с разными видами, чтобы сложилась достаточно пол ная картина закономерностей фотопериодической модификации ТНР. В дис сертации для этого использованы представители семейства Chrysomelidae.

Глава 2. Объект и методы исследования Жуки-листоеды обладают рядом преимуществ, благодаря которым они прекрасно подходят для изучения всех аспектов ТНР. Семейство богато ви дами и относительно хорошо изучено. Многие представители ведут откры тый образ жизни, и параметры их жизненных циклов должны быть особенно подвержены влиянию температуры и длины дня. Листоедов легко найти и собрать в природе, а в лабораторных условиях они неприхотливы, плодовиты и успешно развиваются.

Приводятся краткий экологический очерк семейства с описанием биоло гии отдельных групп, обзор литературы по внутривидовой изменчивости ТНР и влиянию длины дня на развитие жуков-листоедов.

Переработаны и проанализированы литературные данные о полном пре имагинальном развитии 37 видов листоедов, полученные при трёх и более температурах. Все параметры линейной модели для всех видов были пере       рассчитаны заново. Линии регрессии скорости развития по температуре про ходят почти параллельно, а если и пересекаются, то в основном вблизи оси абсцисс или значительно ниже её. Судя по всему, основным механизмом эво люции ТНР в семействе был параллельный перенос: если отбор благоприят ствовал ускорению развития, то ускорение происходило сразу на всём интер вале температур. В терминах линейной модели это можно выразить следую щим образом: при эволюции в сторону ускорения развития нижний темпера турный порог уменьшался, а наклон линии регрессии менялся несуществен но. Таким образом, два эти параметра способны эволюционировать доста точно независимо друг от друга.

Наиболее низкими порогами развития и в то же время большей термола бильностью (наибольшим углом наклона линии регрессии) отличаются пред ставители родов Chrysomelinae, ареалы которых заходят в тундру. Наряду с другими чертами биологии (Богачёва, 1998), обнаруженные особенности можно рассматривать как преадаптации, способствовавшие проникновению Chrysomelinae в высокие широты. Козявки и земляные блошки (Galerucinae) обладают более высокими порогами, а термолабильность их развития мень ше. Cassidinae распадаются на две отчётливые группы: щитоноски из родов Cassida и Gratiana гораздо термолабильнее, чем шипоноски Brontispa и Octo donta, развивающиеся медленнее всех остальных листоедов, попавших в вы борку. Пороги у Cassidinae расположены в области более высоких темпера тур.

Нижний температурный порог развития листоедов очень слабо и стати стически незначимо уменьшается с увеличением географической широты.

Однако по мере удаления от экватора возрастают термолабильность и ско рость развития. Тем самым мы подтверждаем гипотезу, что по мере продви жения в сторону полюсов насекомые должны развиваться быстрее, посколь ку благоприятный сезон в высоких широтах очень недолог (Chown et al., 2002).

Объектами нашего изучения стали самые обычные виды: ольховая козяв ка Agelastica alni (Linnaeus);

чёрная падучка Bromius obscurus (Linnaeus);

то полевый листоед Chrysomela populi (Linnaeus);

щавелевый листоед Gastro physa viridula (De Geer);

колорадский картофельный жук Leptinotarsa decem lineata (Say). Подробно изложена их биология и особенности лабораторного содержания.

Яйца, полученные от природных или лабораторных особей, распределяли по экспериментальным режимам с разными постоянными температурами (от 4 до 7 вариантов) и фотопериодами (2 или 3), в которых и наблюдали за раз       витием всех стадий. Для вычисления параметров, характеризующих темпера турные нормы развития, была использована новая, "альтернативная" методи ка (Кипятков, Лопатина, 2010). Основное отличие новой методики от тради ционной заключается в том, что скорость развития RD определяют для каж дой особи, включённой в эксперимент, как величину, обратную продолжи тельности её развития. После этого проводят регрессионный анализ по всей совокупности индивидуальных скоростей развития, полученных при всех экспериментальных температурах T, и вычисляют константу a и коэффици ент регрессии b в уравнении RD = a + bT с их статистическими ошибками (Campbell et al., 1974;

Sokal, Rohlf, 1995). Значения стандартной ошибки по лучаются значительно меньшими, чем при использовании традиционной ме тодики (Кипятков, Лопатина, 2010). Нижний температурный порог развития (НТП), при котором RD = 0, вычисляли по формуле T0 = –a/b. Сумму градусо дней, часто называемую также суммой эффективных температур (СЭТ), на ходили как обратную величину коэффициента регрессии (1/b). Стандартные ошибки НТП и СЭТ рассчитаны согласно Кэмпбеллу и др. (Campbell et al., 1974).

Относительную (удельную) скорость роста определяли для каждой особи по немного модифицированному уравнению из Ayres, MacLean, 1987: RG = (lnW1 – ln W0)/D, где W0 – масса яйца, W1 – масса имаго, а D – период, в тече ние которого происходил рост. Массу яиц G. viridula и L. decemlineata счита ли равной 0,4 мг, яиц Ch. populi – 0,7 мг. Величина D была принята равной продолжительности личиночного развития. Далее по массиву полученных скоростей проводили регрессионный анализ, как описано выше.

Все названные вычисления и их первичная статистическая обработка осуществлены в специально разработанной форме DevRate 4.4 (© В. Е. Ки пятков, 1998–2010), реализованной в приложении QuattroPro 9.0 (© Corel Corporation 1998–2000). Сравнение двух линий регрессии по наклону и зна чению НТП проводили с помощью t-теста, используя стандартные ошибки этих параметров. Несколько линий регрессии сравнивали по тесту, основан ному на GT2-методе (Sokal, Rohlf, 1995). Значимость различий по продолжи тельности развития или по массе тела при действии тех или иных факторов оценивали, применяя t-тест для сравнения двух выборок произвольного объ ёма или дисперсионный анализ (многофакторный, если в тексте специально не указано, что он был однофакторным или непараметрическим). Последний в случае необходимости был дополнен попарными post-hoc сравнениями по HSD-тесту Тьюки. Везде, где приведены результаты дисперсионного анализа, подразумеваются проверенная по тесту Колмогорова-Смирнова нормаль       ность распределения и подтверждённая тестом Левена гомогенность диспер сий. Продолжительности развития, использованные в дисперсионном анали зе, перерассчитаны по уравнению регрессии для целых значений температу ры от 16 до 26°С, если не указано иное. Уровень значимости для критерия Стьюдента обычно принимали равным = 0.01 ввиду больших объёмов вы борок.

В случаях, когда распределение значимо отличалось от нормального, мы применяли непараметрические тесты: U-критерий Манна-Уитни, коэффици ент корреляции Спирмена rs. Иногда непараметрические тесты проводили дополнительно к параметрическим для получения более объективной карти ны.

Тест на наличие изоморфизма скоростей развития (Jaroik et al., 2002) мы проводили двумя способами. Во-первых, сравнивали пороги развития разных стадий с помощью t-теста. Во-вторых, рассчитав для каждой особи, какую долю от общей продолжительности развития она пребывала на стадии яйца, личинки и куколки, мы затем провели дисперсионный анализ и проверили, зависят ли арксинус-преобразованные доли от температуры. При наличии значимого влияния температуры на соотношение продолжительностей от дельных стадий мы заключали, что изоморфизм нарушен. Поскольку изме нение доли одной стадии влечёт за собой изменение одной или двух других долей, второй способ был дополнен корреляционным анализом.

Основные статистические процедуры выполнены в приложении Statistica 7. (© StatSoft, Inc. 1984–2006). Графики построены в Microsoft® Office Excel 2003 (© Microsoft Corporation 1985–2003).

Глава 3. Межпопуляционная изменчивость температурных норм развития Убедительных данных о географической изменчивости ТНР насекомых или её отсутствии у отдельных видов крайне мало. Проведение таких иссле дований исключительно важно для понимания адаптивной эволюции жиз ненных циклов насекомых в областях с разными климатическими условиями.

Нам не удалось обнаружить межпопуляционные различия по термола бильности развития яиц ольховой козявки (A. alni) из Брянской и Ленинград ской областей и яиц чёрной падучки (B. obscurus) из окрестностей Санкт Петербурга. Примечательно, что явные и устойчивые географические разли чия по ТНР были обнаружены не у автохтонных видов, а у колорадского жу ка, собранного в Брянской и Ленинградской областях, где он появился всего       несколько десятилетий назад. До сих пор популяция L. decemlineata под Санкт-Петербургом остаётся самой северной в Европе (Lyytinen et al., 2008).

При этом многократно указывалось, что в неблагоприятные годы колорад ский жук в Ленинградской области не способен завершить развитие даже од ного поколения (Миндер, 1981, и ссылки там же). Следовательно, на север ной границе ареала должен идти интенсивный отбор на ускорение развития.

Это мы и наблюдаем при сравнении жуков, собранных в Ленинградской области, с более южными по происхождению особями. Ускорение развития выражено на всех стадиях. Особенно отчётливо оно наблюдается на стадии яйца, что подтверждается и анализом межсемейной изменчивости ТНР яиц в двух популяциях (глава 4). При сравнении ТНР двух популяций особенно за метно (и значимо статистически) возрастание термолабильности при малом изменении нижнего температурного порога. В природе это сокращает сроки завершения метаморфоза и позволяет лучше использовать повышенные тем пературы, нечастые в высоких широтах, что особенно актуально для насеко мых с выраженным поведением обогрева, к которым относится и колорад ский жук. Известно, что в полевых условиях температура тела личинок сол нечным днём примерно соответствует температуре листовой пластинки и превышает температуру окружающего воздуха на 4–5 °С (May, 1982).

Полное представление о географической изменчивости ТНР колорадского жука требует изучения многих популяций из различных областей ареала.

Однако и полученные нами результаты в очередной раз подкрепляют репута цию L. decemlineata как вида, уникального по своим приспособительным способностям (Саулич, 2007). Сам факт наличия географической изменчиво сти ТНР у колорадского жука в его вторичном ареале показан впервые.

Глава 4. Внутрипопуляционная изменчивость температурных норм развития Задачей исследования было выявление внутрипопуляционной (межсе мейной) изменчивости ТНР у жуков-листоедов, что до сих пор никем не бы ло сделано. Изучение наследования температурных норм развития необхо димо для лучшего понимания закономерностей микро- и макроэволюции температурных адаптаций насекомых. Общая схема экспериментов была та кова. Листоедов рассаживали попарно (самец + самка), кроме партеногенети ческих самок B. obscurus, которых содержали поодиночке. Собранные дваж ды в сутки кладки яиц распределяли по термостатам с установленной темпе ратурой. Продолжительность развития яиц G. viridula и A. alni измеряли по целым кладкам, так как вылупление личинок у этих видов происходит ис       ключительно синхронно (Кучеров, Кипятков, 2010). У B. obscurus и L. decem lineata измеряли продолжительность развития каждой особи. Если самец из родительской пары погибал, мы в большинстве случаев находили ему заме ну. Это не нарушало чистоту эксперимента, потому что собранные в природе особи уже спаривались в естественных условиях, как весной, так и, скорее всего, предшествовавшей осенью, до зимовки. Поэтому под "семьёй" мы бу дем понимать потомство одной самки. Значимость влияния семьи оценивали, используя многофакторный дисперсионный анализ. Тем же методом выявля ли взаимодействие между генотипом (фактор семьи) и средой (температура).

ТНР отдельных семей сопоставляли с помощью GT2-теста, предполагающего множественные попарные сравнения линий регрессии по порогу и наклону (Sokal, Rohlf, 1995).

Описанная методика известна в зарубежной литературе как "split-family design", или "full-sib design" и широко используется для выявления взаимо действия генотипа и среды (Kause, Morin, 2001;

Astles et al., 2005;

St. Juliana, Janzen, 2007;

Lyytinen et al., 2008;

Ellers, Driessen, 2011). Конечно, она не по зволяет исключить материнский эффект и доминантность в фенотипическом проявлении аллелей, но вполне пригодна для предварительного выявления генетической компоненты в общей изменчивости по нормам реакции (Groe ters, Dingle, 1987;

Nylin, 1994).

Путём обработки данных по скорости развития многих сотен особей че тырёх видов жуков-листоедов, во всех случаях нам удалось показать наличие внутрипопуляционной межсемейной изменчивости ТНР. Влияние фактора семьи на продолжительность развития всегда оказывалось значимым, а меж ду линиями регрессии скорости развития по температуре находились значи мые различия. Конечно, многие семьи не различаются между собой по пара метрам термолабильности, но поголовных различий здесь и нельзя ожидать, поскольку распределение значений признаков отдельных семей должно быть близким к нормальному и, следовательно, значимыми будут в основном раз личия между семьями, находящимися в левой и правой частях распределе ния. Именно поэтому некоторые из семей явственно выделяются особенно высокими или низкими коэффициентами регрессии и порогами, что подкреп ляется результатами статистического анализа.

Таким образом, изменчивость ТНР внутри популяций жуков-листоедов существует, и в ней присутствует значительная наследственная составляю щая, поэтому ТНР могут подвергаться естественному отбору. Этот вывод имеет большое значение, ведь долгое время существование внутривидовой изменчивости ТНР вообще ставилось под сомнение.

      Глава 5. Фотопериодический контроль температурных норм развития Совместное влияние температуры и фотопериода на развитие и рост ли чинок исследовано у трёх видов листоедов: G. viridula, Ch. populi и L. decem lineata.

Длина дня не влияет на продолжительность и термолабильность развития щавелевого листоеда G. viridula в диапазоне температур от 16 до 26 °С с ша гом в 2 °С (рис., А). Однако в короткодневных условиях (12 ч) получены в среднем более тяжёлые жуки, что показано в двух последовательных поколе ниях. При низких температурах фотопериодический эффект выражен в целом отчётливее, хотя реакция разных семей на температуру и фотопериод оказа лась различна.

Мы также провели небольшой отдельный эксперимент при 24 °C, чтобы проверить, существуют ли половые различия в реакции на температуру и длину дня. Самки были тяжелее самцов на стадиях предкуколки, куколки и имаго. Вышедшие из куколок самки весили 11,4 ± 0,88 мг, самцы 10,3 ± 0, мг. Масса предкуколок при коротком и длинном дне не различалась как у самцов, так и у самок. Далее же в онтогенезе наблюдался выраженный ди морфизм по фотопериодической пластичности массы тела. При 12 ч света в сутки масса самок на стадиях куколки и имаго была значимо выше, чем при 22 ч, а масса самцов – нет. Очевидно, бльшая масса тела самок G. viridula в условиях короткого дня (индуцирующего репродуктивную диапаузу у данно го вида) способствует накоплению запаса питательных веществ, необходи мых для скорейшего начала яйцекладки после зимовки. Аналогичный эффект обнаружен у разных зимующих стадий многих других видов насекомых (см., например, Саулич, Волкович, 2004).

У тополевого листоеда Ch. populi длина дня оказывает значимое влияние на скорость развития личинок, и проявляется оно в изменении степени тер молабильности. Линии регрессии скорости развития пересекаются около °C, так что короткий день (12 ч) ускоряет развитие при более низких темпе ратурах, а длинный (22 ч) – при высоких (рис., Б). Аналогичным образом ус коряется и рост. Данный эффект особенно ярко выражен у личинок, но был обнаружен нами и у куколок, хотя у них он оказался очень слаб. Мы не мо жем на основе этого утверждать, что фотопериод влияет непосредственно на куколок. Полученные различия очень малы и могли быть вызваны, например, разной массой тела или сохраняющимся физиологическим эффектом от фо топериода, при котором находились личинки. Экологический смысл количе ственной реакции тополевого листоеда на длину дня представляется нам сле дующим. Осенью, когда ночи становятся длиннее, а среднесуточная темпера       тура неуклонно снижается, личинкам необходимо ускорять развитие и рост, ведь зимует только имаго. Диапауза у Ch. populi также индуцируется корот кодневным фотопериодом (Gomi et al., 2008). Наоборот, в середине лета дни долгие, а температура высокая, и снова получают преимущество быстро раз вивающиеся особи, так как у них есть возможность дать дополнительное по коление за сезон.

В экспериментах с L. decemlineata мы немного изменили первоначальную схему, использованную для G. viridula и Ch. populi. Количество температур было снижено до четырёх (18, 21, 24 и 27 °С), а фотопериодов – увеличено до трёх (12, 18 и 22 ч света в сутки). Кроме того, наряду с популяцией из Брян ской области была в сравнительных целях исследована самая северная в Ев ропе популяция колорадского жука из окрестностей Санкт-Петербурга. Фо топериод одинаковым образом влияет на термолабильность развития личи нок из Брянской и Ленинградской областей: короткий день ускоряет развитие при высоких температурах, а при самой низкой из использованных в экспе рименте температур (18 °С) это ускорение сходит на нет (рис., В). Фотопе риоды с 18 и 22 ч света в сутки воспринимаются жуком как длиннодневные.

Впрочем, в Брянской области световой день никогда не длится 22 ч, из-за че го, возможно, линии регрессии скорости развития при этом фотопериоде зна чимо отличаются от линий для 12 и 18 ч.

0.14 0. Скорость развития, 1/сут Скорость развития, 1/сут А Б 0.12 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 12 ч 12 ч 0. 0.02 22 ч 22 ч 0 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Температура, °C Температура, °C Рис. Воздействие фотопериодических усло вий на температурные нормы развития у 0. представителей семейства Chrysomelidae: А Скорость развития, 1/сут В 0. – щавелевого листоеда Gastrophysa viridula, 0. Б – тополевого листоеда Chrysomela populi, 0. В – брянской популяции колорадского кар 0. 0. тофельного жука Leptinotarsa decemlineata.

12 ч 0. Вертикальными отрезками обозначены 18 ч 0.01 22 ч стандартные отклонения;

если не видны, то не превышают размер символов.

7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Температура, °C       В брянской популяции L. decemlineata обнаружено вполне отчётливое влияние длины дня на массу имаго, а именно увеличение массы тела при ч. Известно, что качественная фотопериодическая реакция колорадского жу ка содержит признаки промежуточного типа. Они заключаются в том, что способность к бездиапаузному развитию максимально проявляется в узком фотопериодическом интервале и ослабевает не только при более коротком, но и при более длинном дне. В частности, в белгородской и минской популя циях при 25 °С наименьший процент диапаузирующих особей отмечен имен но при длине дня около 18 ч (Арапова, Заславский, 1980;

Горышин и др., 1985). Сходную ФПР мы вправе ожидать и у брянских особей, происходящих из тех же широт. Продолжительность их развития при 18 ч и 24–27 °С не столь коротка, как при 12 ч, но всё же значимо короче, чем при 22 ч. Таким образом, появление крупных имаго при длине дня, наиболее спо собствующей бездиапаузному развитию, можно рассматривать как адапта цию, обеспечивающую скорейшее начало яйцекладки в середине лета. Брян ская область входит в ту зону вторичного ареала L. decemlineata, где в благо приятные годы возможно успешное развитие двух поколений за сезон (Мин дер, 1981). Напротив, в северной популяции колорадского жука очевидна максимизация скорости роста при всех фотопериодах. Одновременно, чем ниже температура, при которой проходило развитие, тем крупнее имаго. Обе особенности, надо полагать, повышают выживаемость жуков в ходе долгой зимовки в условиях Ленинградской области.

В заключение отметим показанную нами относительность известного правила "размер – температура", согласно которому размеры тела эктотермов крупнее при низких температурах. Все три вида листоедов, рассмотренные в данной главе, подчиняются правилу, однако во всех случаях эта закономер ность не абсолютна. У G. viridula увеличение массы тела с понижением тем пературы сильнее выражено при коротком дне, чем при длинном. Ch. populi в длиннодневных условиях не подчиняется этому правилу. У L. decemlineata правило выполняется только в северной популяции. Объяснения феномену "temperature-size rule" пока нет, несмотря на многочисленные попытки, имеющиеся в литературе. Наши результаты указывают на отсутствие просто го объяснения, поскольку выраженность этого "правила" подвержена как фо топериодической модификации, так и географической изменчивости.

Глава 6. Общее обсуждение У всех трёх рассмотренных выше видов листоедов мы получили значи мые различия между стадиями по нижнему температурному порогу. У щаве       левого листоеда G. viridula НТП личинок значимо меньше, чем сходные по роги яиц и куколок. То же самое обнаружено в двух популяциях колорадско го жука L. decemlineata. У тополевого листоеда Ch. populi значимые различия найдены между порогами развития всех трёх стадий, причём у личинок и ку колок НТП зависит от фотопериодических условий: при коротком дне он меньше, чем при длинном. Таким образом, у всех жуков-листоедов в нашем исследовании не соблюдается изоморфизм скоростей развития, рассматри ваемый как универсальное явление некоторыми авторами (Jaroik et al., 2002;

Kuang et al., 2011), т. е. скорость развития разных стадий изменяется диспро порционально с понижением или повышением температуры. В подтвержде ние сказанному в диссертации проведён ряд тестов, проверяющих получен ные данные на изоморфизм.

Результаты, изложенные в главах 3 и 4, пополняют и подкрепляют те скудные данные о внутривидовой изменчивости ТНР, которые на сегодняш ний день существуют в мировой научной литературе. Изложен детальный об зор состояния проблемы;

показано, что постепенно накапливаются сведения о существовании генетической изменчивости ТНР внутри вида. Действи тельно, отсутствие или ограниченность изменчивости по адаптивно значи мому признаку весьма странны с точки зрения теории эволюции, особенно для видов с очень широкими ареалами, простирающимися через ряд геогра фических зон. Из теории следует, что жизненный цикл организма должен быть приспособлен к условиям той местности, в которой этот организм оби тает. Тем более это должно касаться реакции насекомых на температуру – фактор, от которого зависят многие жизненно важные процессы. Однако, во прос о механизмах и ограничениях эволюции ТНР пока ещё очень далёк даже от приблизительного разрешения. Например, корреляция между порогом и наклоном, обнаруженная нами на внутривидовом уровне у жуков-листоедов, отсутствует у них на уровне семейства, что показывает метаанализ литера турных данных. Как в процессе эволюции возникла такая межвидовая измен чивость ТНР, если на внутривидовом уровне характер изменчивости совер шенно иной? Ведь традиционно считается, что различия между видами воз никают как всё более и более углубляющиеся различия между популяциями, а источником последних служит внутрипопуляционная изменчивость (Fu tuyma, 2005). Иными словами, макроэволюция всего лишь продолжает мик роэволюцию, базируясь на тех же генетических процессах, и трудно себе представить, как может быть иначе. Тем не менее, дивергенция видов спо собна приводить к появлению изменчивости совершенно иного характера, чем та, что была на внутривидовом уровне. У нас нет предположений, каков       механизм этого перехода от одного типа изменчивости к другому. Сам же этот переход исключительно важен с точки зрения теории эволюции и требу ет детального изучения.

Основной вывод, следующий из результатов главы 5, подкрепляет идею Е. Б. Лопатиной (Lopatina et al., 2007;

Лопатина и др., 2011) о том, что фото периоды не обладают однозначным действием на скорость развития: при од них температурах они могут ускорять развитие по сравнению с другими фо топериодами, а при других – задерживать его. Это зависит от взаимного рас положения линий регрессии скорости развития по температуре, характери зующих нормы реакции на температуру при различных фотопериодах. Про водимый далее обзор литературных данных, в значительной мере перерабо танных и переосмысленных, показывает, насколько разнообразны способы взаимодействия температуры и длины дня в регуляции скорости развития на секомых.

Выводы 1. На основе обзора литературы исследована межвидовая изменчивость температурных норм развития в семействе Chrysomelidae. Голарктические Chrysomelinae выделяются низкими порогами и высокой термолабильностью развития, что позволило им освоить зону тундр;

противоположность состав ляют тропические шипоноски из Cassidinae, отличающиеся долгим, мало ла бильным развитием и высокими порогами. Экономически важное подсемей ство Galerucinae занимает промежуточное положение, поэтому обильно представлено в умеренном поясе, но отсутствует в областях с экстремальны ми климатическими условиями. Основным механизмом эволюции темпера турных норм развития при видообразовании у жуков-листоедов являлся па раллельный перенос линии регрессии скорости развития по температуре с изменением порога, но сохранением почти постоянного коэффициента рег рессии.

2. Обобщив и проанализировав литературные данные, мы показали, что продолжительность развития у листоедов отрицательно коррелирует с гео графической широтой местности, а коэффициент регрессии скорости разви тия по температуре – положительно. Подтверждено предположение о том, что по мере продвижения в сторону полюсов насекомые должны развиваться быстрее и лабильнее, поскольку благоприятный сезон в высоких широтах очень недолог.

3. Межпопуляционные различия по температурным нормам развития яиц Agelastica alni и Bromius obscurus очень малы и зачастую незначимы. Напро       тив, северная популяция Leptinotarsa decemlineata отличается от южной большей термолабильностью развития всех стадий и максимизацией скоро сти роста. В северной популяции масса тела максимальна при низких темпе ратурах, независимо от длины дня, а в южной – при промежуточной длине дня, независимо от температуры. Можно заключить, что первая популяция адаптирована к неблагоприятным климатическим условиям на границе ареа ла (короткое и прохладное лето, долгая зима), а вторая – успешно использует тепловые ресурсы южного Нечерноземья, чтобы развиваться в двух поколе ниях за сезон.

4. Обнаружена внутрипопуляционная межсемейная изменчивость темпе ратурных норм развития у четырёх видов жуков-листоедов. Потомство неко торых самок особенно отличалось по параметрам линейной регрессии скоро сти развития по температуре. Изменчивость температурных норм развития яиц в партеногенетических популяциях Bromius obscurus значительно мень ше, чем в популяциях видов с обоеполым размножением. Всё это указывает на наличие наследственной компоненты во внутрипопуляционной изменчи вости температурных норм развития.

5. Впервые описана фотопериодическая модификация температурных норм развития личинок жуков-листоедов. Она была изучена на примере трёх видов, и результаты во всех трёх случаях отличаются. У Gastrophysa viridula влияние фотопериода отсутствует: линии регрессии скорости развития по температуре при коротком и длинном дне совпадают. У Chrysomela populi линии регрессии пересекаются таким образом, что короткий день ускоряет развитие при низких температурах, а длинный – при высоких (выше 23,8 °С).

Вероятно, благодаря такой реакции летом возможно прохождение несколь ких поколений, а осенью – успешное завершение развития перед зимовкой. У Leptinotarsa decemlineata, независимо от происхождения популяции, корот кий день ускоряет развитие при температурах выше 18 °С. Учитывая выра женную термофильность этого вида, можно полагать, что осенью только вы бор наиболее прогретых участков позволяет особям успешно завершить раз витие.

6. Три вида листоедов подчиняются известному правилу, согласно кото рому размеры тела эктотермов крупнее при низких температурах, однако во всех случаях эта закономерность не абсолютна. У Gastrophysa viridula увели чение массы тела с понижением температуры сильнее выражено при корот ком дне, чем при длинном. Chrysomela populi в длиннодневных условиях не подчиняется этому правилу. У Leptinotarsa decemlineata правило "размер температура" выполняется только в северной популяции. Наши результаты       указывают на то, что выраженность этого правила подвержена как фотопе риодической модификации, так и географической изменчивости.

7. У всех исследованных видов листоедов установлено отсутствие изо морфизма скоростей развития, т. е. диспропорциональное (по отношению ко всему онтогенезу) ускорение и замедление развития отдельных стадий с из менением температуры. Поэтому и пороги развития яиц, личинок и куколок у изученных видов также различаются.

Список публикаций по теме диссертации 1. Кучеров Д. А., Кипятков В. Е. Температурный и фотопериодический контроль преима гинального развития щавелевого листоеда Gastrophysa viridula (De Geer) (Coleoptera, Chrysomelidae). Энтомологическое обозрение, 2011, т. 90, № 2, с. 249–271.

2. Кучеров Д. А., Кипятков В. Е. Половой диморфизм по фотопериодической пластично сти массы тела у щавелевого листоеда Gastrophysa viridula. Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2011, т. 47, № 5, с. 388–390.

3. Лопатина Е. Б., Кипятков В. Е., Балашов С. В., Кучеров Д. А. Взаимодействие фотопе риода и температуры – новая форма сезонной регуляции роста и развития у насекомых, исследованная на примере жужелицы Amara communis (Coleoptera, Carabidae). Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2011, т. 47, № 6, 491–503.

4. Kutcherov D. A., Lopatina E. B., Kipyatkov V. E. Photoperiod modifies thermal reaction norms for growth and development in the red poplar leaf beetle Chrysomela populi (Coleopte ra: Chrysomelidae). Journal of Insect Physiology, 2011, v. 57, № 7, p. 892–898.

5. Кучеров Д. А., Кипятков В. Е. "Пан или пропал": каннибализм, эффект группы и син хронный выход личинок из яиц у жука-листоеда. Труды Томского государственного университета, 2010, т. 275, серия биологическая, с. 142–144.

6. Кучеров Д. А., Кипятков В.Е. Каннибализм, эффект группы и синхронный выход личи нок из яиц у щавелевого листоеда Gastrophysa viridula // Первая Всероссийская моло дёжная научная конференция, посвящённая 125-летию биологических исследований в Томском государственном университете "Фундаментальные и прикладные аспекты со временной биологии" (6–9 октября 2010 г.). Тезисы докладов. Томск: Изд-во ТГУ, 2010.

– с. 45–46.

7. Кучеров Д. А., Кипятков В. Е. Эволюция температурных норм развития насекомых на примере жуков-листоедов (Coleoptera: Chrysomelidae) и близких семейств // Материалы международной научной конференции "Фундаментальные проблемы энтомологии в XXI веке" (Санкт-Петербург, 16–20 мая 2011 г.). СПб.: Изд-во СПбГУ, 2011. – с. 85.

8. Kutcherov D. A., Kipyatkov V. E., 2011. Genetic variation of thermal reaction norms for de velopment in leaf beetles (Coleoptera: Chrysomelidae) // Thermadapt Science Meeting "Evo lutionary and plastic responses of animal growth to different temperatures: adaptations and constraints" (28–30 April, 2011;

University of Tartu, Estonia). Programme. P. 38.

9. Lopatina E. B., Kutcherov D. A., 2011. Photoperiodic control of thermal plasticity for devel opment rate in insects // Thermadapt Science Meeting "Evolutionary and plastic responses of animal growth to different temperatures: adaptations and constraints" (28–30 April, 2011;

University of Tartu, Estonia). Programme. P. 39.