Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Роль вторичных метаболитов во взаимоотношениях между растениями и насекомыми 12
1.2 Экдистероиды, их химическое строение и биологические функции 15
1.3 Гормональная активность экдистероидов у насекомых 19
1.4 Фитоэкдистсроиды какдетерренты насекомых-фитофагов 29
1.5 Адаптогенпое влияние экдистероидов на насекомых-фитофагов 36
1.6 Методы биологического тестирования экдистероидов в системах ш vivo и in vitro 40
1.7 Серпуха венценосная -S. coronata, как источник экдистероидов 45
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты исследования 48
2.1.1 Описание и биологическая роль тестируемых видов насекомых- фитофагов в природе 50
2.2 Подготовка гусениц к началу эксперимента 54
2.3 Приготовление экспериментальных питательных сред для метода скармливания 57
2.4 Приготовление растворов экдистероидов для тестирования методом погружения 59
2.5 Статистическая обработка экспериментальных данных 60
ГЛАВА 3. ДЕЙСТВИЕ ЭКДИСТЕРОИДОВ РАСТЕНИЯ СЕРПУХА ВЕНЦЕНОСНАЯ {S. coronatd) НА РАЗВИТИЕ И ПОВЕДЕНИЕ ЛИЧИНОК НАСЕКОМЫХ-ФИТОФАГОВ РАЗЛИЧНЫХ ТРОФИЧЕСКИХ ГРУПП В ЭКСПЕРИМЕНТАХ IN VIVO 61
3.1 Антифидантное действие экдистероидов S. coronata на гусениц капустной совки {Mamestra hrassicac L.) разных возрастов ; 63
3.1.1 Антифидантное действие экдистероидов на гусениц капустной совки I возраста 64
3.1.2 Антифидантное действие экдистероидов на гусениц капустной совки III возраста 67
3.2 Антифидантное действие экдистероидов S. comnata на гусениц кукурузного мотылька (Ostrinia nuhilalis Mb.) разных возрастов 70
3.3 Детеррентная активность экдистероидов S, comnata по отношению к гусеницам египетской хлопковой совки (Spodaptcra littaralis Boisd.) разных возрастов 72
3.3.1 Влияние экдистероидсодержащих диет на развитие и поведение гусениц египетской хлопковой совки VI возраста и плодовитость имаго 72
3.3.2 Влияние экдистероидсодержащих диет на развитие и поведение гусениц египетской хлопковой совки IV возраста и плодовитость имаго 74
3.4 Влияние сред, содержащих 10% сухих частей генеративных растений iS\ comnata с различным содержанием экдистероидов, на развитие гусениц египетской хлопковой совки IV возраста 77
3.5 Гормональное, токсическое и адаптогенное влияние
фитоэкдистероидов S. comnata на личинок мельничной огневки
(Hphestia kuefmiclla Zell.) последнего возраста 82
3.5.1 Влияние метанольных и водных растворов 20Е разных концентраций 84
3.5.2 Влияние растворов 22-ацетата 20-гидроксиэкдизона разной концентрации 88
3.5.3 Влияние растворов минорных экдистероидов разных концентраций 90
3.6 Влияние экдистероидов S. comnata на личинок мельничной огневки последнего возраста при погружении в водные и спиртовые растворы экдистероидов с разной временной экспозицией 97
3.6.1 Влияние 0,1%-ных метанольных растворов экдистероидов при погружении на 10 сек 97
3.6.2 Влияние 0,1%-ного раствора 20Е в метаноле при погружении на различные промежутки времени 99
3.6.3 Влияние 0,1%-ного раствора Е в метаноле при погружении на различные промежутки времени 100
3.6.4 Влияние 0,1%-ного раствора S3 (In) в метаноле при погружении на различные промежутки времени 101
3.6.5 Влияние 0,1%-ного раствора 20Е в этаноле при погружении на различные промежутки времени 102
3.6.6 Влияние 0,1%-ного раствора 20Е в воде при погружении на различные промежутки времени 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО
ВЫВОДЫ 117
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ 139
5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АГ - активационный гормон
22А - 22-ацетат-20-гидроксиэкдизона
БАВ - биологически активные вещества природного происхождения
ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография
ГЛ - гормон диньки
Е-экдизон
20Е - 20-гидроксиэкдизон
ЗЭ - зооэкд и стероиды
ИД - имагинальные диски
ИЛА - иммунолюминисцентный анализ
ИПС - искусственная питательная среда
ИФА - иммупоферментный анализ
М - макистерон С
МЭ - сухой метанольный экстракт фитомассы Serratula coronata L.
ПТКЖ - проторакальные железы
РИА - радиоиммунный анализ
ФМ - фитомасса Scrratula coronata L.
ФЭ - фитоэкдистероиды
ЭПС - экспериментальная питательная среда
ЮГ - ювенильпый гормон
In - 253-инокостерон
МН - гормональная активность
51 - сумма экдистероидов, содержащая 82,7% 20Е + 15,8% In
52 - сумма экдистероидов, содержащая 83,8% 20Е + 12,7% In + 3,5%» Е
53 - сумма экдистероидов, содержащая 61,5% 1п+ 34,0% 20Е + 4,5% М.
Е - суммарное содержание экдистероидов в частях генеративного растения S. coronata
- Роль вторичных метаболитов во взаимоотношениях между растениями и насекомыми
- Описание и биологическая роль тестируемых видов насекомых- фитофагов в природе
- Детеррентная активность экдистероидов S, comnata по отношению к гусеницам египетской хлопковой совки (Spodaptcra littaralis Boisd.) разных возрастов
Введение к работе
* Актуальность темы. Возникшее на стыке двух биологических наук -экологии и биохимии, новое направление - биохимическая экология, в последние годы развивается высокими темпами, так как позволяет подойти ближе к пониманию глобальных вопросов биохимических взаимоотношений между живой и неживой природой, многообразию взаимоотношений между живыми организмами, пролить свет на сложную взаимосвязь и коэволюнионную адаптацию, существующие между растениями и животными (Барбье, 1978; Харборн, 1985).
Одними из основных объектов биохимической экологии являются вещества вторичного (или специализированного) обмена, которые опосредуют взаимодействия между организмами и регулируют широкий спектр экологических взаимодействий, включая трофические взаимосвязи. С этой точки зрения большой интерес представляют экдистероиды, известные как гормоны линьки беспозвоночных, обнаруженные сравнительно недавно и в растениях. Несмотря на определенные успехи в изучении распространения экдистероидов в растительном мире и их структурного многообразия, до настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос о том, какова роль экдистероидов в растениях. Выполняют ли они роль аллелохимических токсинов и антифидантов по отношению к неадаптированным видам фитофагов, имеют физиологическое значение для роста и развития самих растений, или взаимоотношения между растениями - продуцентами экдистероидов, и насекомыми-фитофагами носят еще более сложный характер (Jones and Firn, 1978; Bergamasco and Horn, 1983; Jones and Firn, 1991; Дайнен, 1996, 1998)?
В рамках экологической стратегии представляется чрезвычайно важным рассмотреть чувствительность как можно большего количества насекомых-фитофагов к фитоэкдистсроидам, полученным с пищей,
7 установить специфику влияния различных по структуре экдистероидов на насекомых-фитофагов, сопоставить активность значительного числа различных экдистероидов в одном и том же биотесте, установить связь между структурой и биологической активностью экдистероидов (Дайнен, 1998; Лафон, 1998).
Цель работы: Оценка вклада фитоэкдистероидов в детеррентную стратегию растения серпухи венценосной {Serratula coronata L.) по отношению к насекомым-фитофагам различной пищевой направленности.
Задачи работы:
изучение антифидантной активности экдистероидов S. coronata по отношению к личинкам разных возрастов нескольких видов насекомых-полифагов: кукурузного мотылька Ostrinia nubilalis Hb., капустной совки Mamestra brassicae L., египетской хлопковой совки Spodoptera filtoralis Boisd. методом скармливания;
изучение влияния экдистероидов S. coronata на личинок мельничной огневки Hphestia kuehniclla Zell. последнего возраста методом погружения.
Работа выполнена в лаборатории биохимии и биотехнологии растений
в соответствии с планом НИР Института биологии Коми НЦ УрО РАН по
теме "Структурно-функциональные исследования продуктов
специализированного обмена растений и клеточных культур-продуцентов экдистероидов" (№ гос. per. 01.9.80.004936), международного проекта 1NTAS "Вторичные метаболиты растений и взаимоотношения между насекомыми и растениями: распространение и идентификация экдистероидных агонистов и антагонистов в двух географически удаленных флорах" (№ 96-1291) и целевой программы поддержки междисциплинарных проектов, выполняемых в содружестве между учеными СО и УрО РАН (проект №151 "Гормональные
8 механизмы адаптации насекомых" (фундаментальные и прикладные исследования).
Положения, выносимые на защиту:
І.Фитомасса, экстракты из фитомассы серпухи венценосной S. coronata, а также индивидуальные экдистероиды, выделенные из этого растения, добавленные в диету личинок кукурузного мотылька О. nuhilalis и капустной совки М. brassicae оказывают сильное антифидантное действие на гусениц I возраста, вызывая массовую миграцию гусениц с корма и их гибель.
Антифидантное действие экдистероидсодержащей диеты на личинок М. brassicae старших возрастов (III и IV) менее выражено: не вызывая массовой гибели гусениц, приводит к нарушениям в их развитии и поведении, выражающимся во вспышках каннибализма, значительном увеличении стадии куколки и образовании нежизнеспособных куколок с различными аномалиями.
Гусеницы египетской хлопковой совки S. littoralis устойчивы к экзогенным экдистероидам, однако добавление 0,01 и 0,1% 20Е в диету гусениц IV и VI возраста приводит к нарушению их развития, а также к значительному снижению плодовитости имаго.
4. Введение в диету гусениц S. littoralis IV возраста разных частей
генеративных растений S. coronata в количестве 10% (мае.) с различным
содержанием экдистероидов не оказывает выраженного антифидантного
действия, однако подавляет развитие гусениц, смещает время начала
окукливания, увеличивает стадию куколки и снижает плодовитость имаго по
сравнению с контрольной группой.
5. Погружение гусениц П. kuehniella в спиртовые и водные растворы
различных экдистероидов приводит к проявлению трех эффектов -
токсического, гормонального и адаптогенного, конкурирующее влияние
9 которых зависит от структуры экдистероида, концентрации его в растворе, природы растворителя и длительности погружения.
Научная новизна работы: Осуществлена оценка вклада фитоэкдистероидов S. coronata как детеррентов по отношению к четырем видам насекомых-фитофагов различной пищевой направленности при помощи двух биотестов -метода скармливания и метода погружения.
При помощи метода скармливания экдистероидсодержащей диеты показано сильное антифидантное влияние фитоэкдистероидов S. coronata на гусениц I возраста кукурузного мотылька и капустной совки, токсическое и гормональное действие на гусениц старших возрастов обоих видов, приводящее к различным патологиям в развитии и массовой гибели. В тестах по скармливанию диеты, содержащей различные концентрации 20Е, гусеницам IV и VI возрастов египетской хлопковой совки, устойчивой к высоким концентрациям экдистероидов, впервые обнаружено их гормональное действие, приводящее к увеличению времени развития и периода окукливания, а также к снижению плодовитости имаго по сравнению с контрольной группой. Кроме того, обнаружено, что введение в диету гусениц S. littoralis IV возраста 10% (мае.) разных частей генеративных растений S. coronata с различным содержанием экдистероидов, не оказывая выраженного антифидантного действия, подавляет развитие гусениц, смещает время начала окукливания, увеличивает стадию куколки и снижает плодовитость имаго по сравнению с контрольной группой.
На примере гусениц мельничной огневки в биотссте по погружению показано многообразное влияние экдистероидов, характер которого зависит от структуры экдистероида, его концентрации в растворе, природы растворителя и длительности погружения. Обнаружено проявление трех
эффектов - гормонального, токсического и адаптоген но го, приводящих к различным отклонениям в развитии личинок.
Полученные нами экспериментальные данные доказывают состоятельность современной научной гипотезы о роли фитоэкдистероидов как соединений, обладающих детсрреитной активностью по отношению к насекомым-фитофагам, позволяют ближе подойти к разработке методов количественной оценки вклада фитоэкдистероидов в специфику взаимоотношений между насекомыми и растениями.
Практическая значимость: Полученные результаты позволяют оценить вклад фитоэкдистероидов в детеррентную стратегию растения S. cownafa по отношению к четырем видам насекомых-фитофагов с различной широтой пищевой специализации, являющуюся частью защитной стратегии растений от насекомых-вредителей. Вклад данной работы в подтверждение гипотезы о роли фитоэкдистероидов как детеррентов по отношению к насекомым-фитофагам, относящейся к фундаментальным вопросам экологии, может иметь приактическое значение для разработки новых биологических методов регуляции численности насекомых-вредителей, а также дальнейшего развития методов генной инженерии сельскохозяйственных растений, направленных на получение устойчивых сортов.
Апробация работы: Материалы исследований были представлены на IV съезде Общества физиологов растений России (Москва, 1999 г.), на VI Молодежной научной конференции "Актуальные проблемы биологии" (Сыктывкар, 1999 г.), XIV Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 2000 г.), Международном симпозиуме "Protectia integrata a plantclor: Rcalizari i probleme" (Кишинев, Республика Молдова, 2000 г.), IX Молодежной научной конференции "Актуальные проблемы
биологии и экологии" (Сыктывкар, 2002 г.), заслушаны и обсуждены на Итоговом ученом совете Института биологии Коми ІІЦ УрО РАН (Сыктывкар, январь 2003 г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 185 страницах, иллюстрирована 42 рисунками и 11 таблицами. Список цитируемой литературы включает 166 наименований, в том числе 96 иностранных источников.
Благодарности: Автор выражает благодарность научному руководителю -заведующему лабораторией биохимии и биотехнологии растений Института биологии КНЦ УрО РАН д.б.н. В.В. Володину, старшему научному сотруднику этой же лаборатории к.х.н. Т.И. Ширшовой, директору Института энтомологии АН Республики Чехия профессору Франтишеку Сегналу, заведующему лабораторией прикладной энтомологии Института защиты растений Министерства сельского хозяйства Республики Молдова (г. Кишинев) к.б.н. М.Г, Батку, научному сотруднику этой же лаборатории А.П. Якимчук за большую помощь при выполнении научной работы.
Роль вторичных метаболитов во взаимоотношениях между растениями и насекомыми
Структурное многообразие вторичных метаболитов растений и разнообразие их биологического действия порождает многочисленные эколого-биохимические взаимодействия между организмами, обеспечивающие устойчивость экологических систем на молекулярном уровне. Одной из важнейших групп эколого-биохимических взаимодействий являются взаимоотношения между высшими растениями и фитофагами, в которых участвуют токсины растений, репелленты, антифиданты - факторы, воздействующие на плодовитость и онтогенез фитофагов. Среди огромного разнообразия взаимодействий этого рода можно выделить две большие группы:
1. регуляция веществами растений пищевого поведения животных-фитофагов, в том числе насекомых;
2. регуляция вторичными метаболитами растений развития и плодовитости фитофагов (Harborne, 1982; 1986; 1987; Остроумов, 1986; Телитченко и Остроумов, 1990).
В литературе описано более 2 млн видов насекомых и свыше 300 тыс. видов сосудистых растений. Возникающие между ними многочисленные пищевые связи носят четкую, а порой и узко-специфическую избирательность. С экологической точки зрения такая избирательность в выборе фитофагами своих кормовых растений определяет существование вполне детерминированных трофических цепей, а, следовательно, детерминированных каналов для потока энергии и вещества через экосистемы. Вторичные метаболиты растений вносят значительный вклад в формирование специфичности этих трофических цепей и в регуляцию потока энергии и вещества через них и определенным образом воздействуют на животных.
Восприятие насекомыми химических сигналов, или хеморецепция, дает им возможность осуществлять главные жизнеобеспечивающие функции организма, к которым прежде всего относится поиск пищевых субстратов для имаго, его потомства, а также особей противоположного пола. С помощью химических стимулов насекомые узнают особей своей семьи (у общественных насекомых), приближение опасности, находят пути к источникам пищи. Природа химических стимулов, определяющих межвидовые и внутривидовые отношения в биоценозах, очень многообразна. Это многообразие затрудняет классификацию типов химического воздействия на организмы. Наибольшее признание из всех предложенных к настоящему времени классификаций химического воздействия получила классификация Р. Уитгскейера, в основу которой положено действие сигнала на особь, получившую его, или выделяемого вещества на среду обитания. При этом необходимо определить, участвует ли это вещество во внутривидовых или межвидовых отношениях.
По характеру ответных реакций химические стимулы подразделяются на репелленты и аттрактанты. Репелленты (лат. repellens - отталкивающий, отвращающий) - это природные или синтетические вещества, отпугивающие животных путем воздействия на дистантные или контактные хеморецепторы. Содержащиеся в растениях фагорепелленты делают их несъедобными для насекомых-фитофагов (Буров и Сазонов, 1987; Биологический 1989).
Согласно определению других авторов (Nordlung et al., 1981), репелленты -это вещества, заставляющие организм двигаться от их источника. Природные и синтетические вещества, подавляющие питание насекомых-фитофагов, называются антифидантами и могут быть использованы для борьбы с вредителями растений.
Вещества, тормозящие какую-либо реакцию насекомых, носят название детеррентов. Пищевые детерренты, или фагодетерренты, относятся к очень широкому по своим функциям кругу веществ: а) вещества с токсичным действием, но, как правило, не настолько ядовитые, как классические растительные токсины; б) вещества, снижающие питательную ценность корма; в) вещества, отпугивающие насекомых, вызывающие прекращение их питания, пищевые репелленты (Остроумов, 1986; Буров и Сазонов, 1987; Биологический...., 1989). В зависимости от уровня взаимодействия химических стимулов детерренты подразделяются на вещества, участвующие в межвидовых (аллохимических) или внутривидовых взаимодействиях.
Вещества природного или синтетического происхождения, привлекающие животных, называются аттрактаптами (лат. attraho). Они делятся на три основные группы: 1. привлекающие особей другого пола (половые аттрактанты); 2, привлекающие к объектам питания (пищевые аттрактанты); 3. привлекающие к субстрату для откладки яиц. Природные половые аттрактанты - половые феромоны, эффективны в чрезвычайно малых концентрациях: например, половой аттрактант самки тутового шелкопряда привлекает самца при концентрации 3x10"19 г вещества на 1 см3 воздуха. Диапазон действия аттрактантов довольно широк - от нескольких мм до нескольких км. Это свойство аттрактантов, как сигнальных веществ, вырабатываемых живыми организмами и вызывающих у их особей движение по направлению к источнику запаха, используется в ловушках для уничтожения насекомых-вредителей (Буров и Сазонов, 1987; Биологический ..., 1989). Представление о биохимической коэволюции растений и животных основано на следующих фактах:
1. Большинство растительноядных животных различают виды растений, которыми питаются. Многие питаются небольшим числом близкородственных видов растений одного рода, трибы или семейства.
2. Кормовые растения данного вида животных могут иметь сходные вторичные соединения, но различаться по общей морфологии и анатомии.
3. Многие вторичные соединения растений токсичны для животных или обладают иной выраженной биологической активностью.
4. Растения могут осуществлять однотипное решение проблемы защиты от фитофагов разными химическими средствами. Например, отпугивающий вкус может создаваться за счет разных соединений - алкалоидов, сердечных гликозидов, тритерпепоидов, сесквитерпеновых лактонов и т.д.
5. Имеются такие вещества растений, которые оказывают токсическое или репеллентное действие на большинство видов фитофагов, являясь в то же время безвредными для некоторых других видов фитофагов, и, более того, могут служить пищевыми аттрактантами (Ehrlich and Raven, 1984; Телитченко и Остроумов, 1990).
К таким веществам специализированного обмена растений относятся экдистероиды - малоизученная группа природных биологически активных полигидроксилированных стерииов, обладающих активностью гормона линьки и метаморфоза членистоногих (Lafont, 1997). Термин "экдизон" образован от греческого слова "ecdysis" (линька). Впервые экдистероиды были выделены из куколок тутового шелкопряда в 1954 г. (Butenandt and Karlson, 1954).
Описание и биологическая роль тестируемых видов насекомых- фитофагов в природе
Кукурузный мотылек О. nubilalis (отр. Lepidoptera, сем. Pyralidae), является одним из наиболее опасных сельскохозяйственных вредителей. Он относится к полифагам, повреждает около 50 видов культурных и более 100 видов дикорастущих растений (Вредители и болезни..., 1964; Хомякова, 1966; Осмоловский и Бондаренко, 1980; Монастырский и ГорбатовскиЙ, 1991).
Масштабы вреда, наносимого кукурузным мотыльком посевам кукурузы, привели к признанию его сельскохозяйственным вредителем. Исследования показали, что от начала репродуктивного периода до физиологического созревания последствия повреждения стеблей кукурузы гусеницами О. nubilalis имеют все меньшее значение. Чем позднее в период созревания зерен происходит заражение, тем ниже его влияние на урожайность. Наибольший вред урожаю кукурузы наносят гусеницы, нападающие на молодое растение. Гусеницы О. nubilalis I возраста поедают молодые листья (6-\0 лист), гусеницы I и II возраста повреждают основную жилку листа и стебель, гусеницы II и III возраста повреждают листовые 5! пластины и чехлики и портят початки (Devarenne et al., 1995; Van Dyk, 1996; Magaietal, 1997).
В работах (Adler and Grebenok, 1995; Devarenne et al., 1995) было показано, что в растениях Zea mays протекает эндогенный биосинтез экдистероидов в виде полифосфатов. Основным доказательством является возможность выделения радиомеченых экдизопа и 20Е из растений при их инкубации с 2-ыС-мевалоновой кислотой (МВК). Эти соединения высвобождаются из полярных фракций, содержащих метку, при обработке кислой фосфатазой или мягком кислотном гидролизе. Согласно мнению авторов в ходе биосинтеза получаются смеси изомеров поли- и дифосфатов экдистероидов, содержание которых очень низко (нг/г биомассы), и наличие их можно доказать только после сложных процедур хроматографического выделения и очистки. По аналогии с биосинтезом экдистероидов в растениях шпината авторами предлагается версия о роли полифосфорилированных экдистероидов, как составляющих отрицательную побочную петлю биосинтеза и выполняющих функцию замедления биосинтеза экдистероидов из 2-4С-МВК. Этим можно объяснить низкий уровень биосинтеза биофосфатов экдистероидов в кукурузе, т.к. высокий уровень привел бы к полному ее ингибированию. Эти экспериментальные данные подтверждают высказанное Л. Дайненом (Дайнен, 1996), Р. Лафоном (Лафон, 1996) и рядом других исследователей предположение о присутствии низких количеств экдистсроидов у многих видов растений. Предполагается, что большинство (если не все) видов растений могут обладать генами, кодирующими соответствующие биосинтетические энзимы. Таким образом, обнаружение хоть и незначительных количеств полифосфатов экдистсроидов в кукурузе ставит интересный вопрос перед исследователями о взаимодействии растение - насекомое-фитофаг на примере кукурузы и самого опасного для нее вредителя - кукурузного мотылька. Капустная совка - М. brassicae (отр. Lepidoptera, сем. Noctuidae) -полифаг, распространенный почти по всей России, за исключением районов Крайнего Севера. Главным растением, которое повреждают гусеницы М. brassicae, является капуста. Отродившиеся гусеницы повреждают мякоть листьев на небольших участках, затем расползаются и проедают на листьях отверстия неправильной формы. Питаются гусеницы преимущественно ночью, а днем прячутся у основания растений. Более взрослые особи обычно проникают в кочан, в котором проделывают ходы и загрязняют его экскрементами. Поврежденный кочан загнивает, приобретает неприятный запах и становится непригодным к употреблению. У цветной капусты гусеницы совки повреждают как листья, так и соцветия. Гусеницы капустной совки повреждают также горох, свеклу, лук и другие культуры. Наиболее вредоносными являются гусеницы I поколения.
Самки A/, brassicae откладывают яйца группами по 30-80, а иногда и по 200 яиц на нижнюю сторону листьев различных культурных и сорных растений, чаще - крестоцветных. Средняя плодовитость 700-800 яиц, максимальное - до 2500. Через 7-14 дней из яиц выходят гусеницы, которые первое время живут все вместе. В последнем возрасте гусеницы достигают 50 мм длины. Было показано, что гусеницы М, brassicae отторгают пищу, содержащую от 0,005 до 0,06% 20Е (Tanaka and Naya, 1995).
При массовом разведении совок на искусственных питательных средах (ИПС) плотность особей на стадии гусениц заметно выше, чем в условиях агроценозов. Это приводит к тому, что у гусениц срабатывают специфические внутривидовые механизмы регуляции численности. Одним из таких широко распространенных среди гусениц совок, а также других семейств чешуекрылых механизмов является каннибализм (Schweitzer, 1979). Он представляет собой чувствительный способ сохранения конкурентных способностей выживших в стрессовой ситуации особей без потери их потенции размножения (Fox, 1975). В литературе имеется целый ряд данных о наблюдении каннибализма при массовом разведении насекомых, например, для Amathes c-nigrum L. (Старец, 1979), Agrotis ipsilon Hfn. (Singh and Pandcy, 1980).
Каннибализм у гусениц капустной совки описан в работе Старец В.М. с соавт. (Старец и др., 1978), но сведений об условиях его проявления приведено недостаточно. П. Рихтер в результате тщательно продуманного эксперимента с учетом всех условий, способствующих проявлению каннибализма, показал, что гусеницы капустной совки способны к каннибализму уже к концу первого возраста, однако комплексный стереотип каниибалистического поведения у них отсутствует. По мнению автора у гусениц М. brassicae он возникает только при недостатке корма, Повышение плотности гусениц без лимитирования питания приводит в действие другие механизмы регуляции численности, такие как стресс и последствия быстрого загрязнения среды обитания. Каннибализм приводит число гусениц в соответствие с количеством имеющегося корма (Рихтер, 1984).
Египетская хлопковая совка S. litloraiis (отр. Lepidoptcra, сем. Noctuidae) также относится к полифагам и проявляет устойчивость по отношению к высоким концентрациям фитоэкд и стероидов в диете. Она охотно питается листьями растения марь белая {Chcnopoditim album), в которых концентрация экдистероидов достигает 175 ррт. 20-гидроксиэкдизон, наиболее распространенный в растительном мире и идентичный истинному гормону линьки членистоногих, также не оказывал детсррснтного воздействия на S. littoralis в довольно высоких концентрациях (Kubo el al., 1983; Tanaka and Naya, 1995). Более поздние исследования показали, что S. littoralis может быть длительное время устойчива к искусственной диете, содержащей более 100 ppm 20Е, и даже более высокие концентрации 20Е и экдизона не оказывали неблагоприятного влияния на ее рост и развитие (Blackford et al., 1996; Blackford et al., 1997).
Детеррентная активность экдистероидов S, comnata по отношению к гусеницам египетской хлопковой совки (Spodaptcra littaralis Boisd.) разных возрастов
Для проведения эксперимента было отобрано по 25 гусениц S. Httoralis шестого возраста массой от 286 до 338 мг, которые выращивались на контрольной и экспериментальных питательных средах, содержащих 0,1 и 0,01% 20Е (ЭПС-9 и ЭПС-10 соответственно). Гусениц отсаживали в большие чашки Петри группами по пять штук. Результаты наблюдений приведены в табл. 4 и 5 и на рис. 20 и 21(приложсние). Как видно на рис. 20, динамика увеличения средней массы гусениц на обеих диетах одинакова. Максимальной массы гусеницы достигли на вторые сутки наблюдений. Наибольший привес отмечен для гусениц, питавшихся на диете ЭПС-10 с 0,01% 20Е (низкое содержание 20Е). Максимальная средняя масса одной гусеницы на этой среде достигла 457±26 мг, в то время, как в контрольной группе и на ЭПС-9 (высокое содержание 20Е) она почти одинакова и составила 390±11 и 389 ±30 мг соответственно. Наибольшее потребление пищи, однако, отмечено при питании на контрольной среде (рис. 21, пр.). Во всех случаях - как на контрольной, так и на экспериментальных питательных средах, гусеницы начали окукливаться на третьи сутки. На четвертые сутки на ЭПС-9 и ЭПС-10 окуклилось 60% гусениц, в то время, как на контроле -лишь 32%. На пятые сутки количество куколок в контроле достигло 48%, а на ЭПС-9 и ЭПС-10 - 64 и 68% соответственно.Однако завершение процесса окукливания на всех средах произошло на седьмые сутки. На ЭПС-9, где гибель гусениц по сравнению с контролем и ЭПС-10 была максимальной и составила на третьи сутки 20%, наблюдалось образование меньшего количества жизнеспособных куколок (72% по сравнению с 88% в контроле и на ЭПС-10), при этом некоторые из них были с аномалиями. Средняя масса куколок в контрольной группе и на ЭПС-9 различается незначительно, на ЭПС-10 она выше, чем в этих группах. Для всех куколок был определен пол. Общее количество куколок, их средняя масса и соотношение самцов и самок приведены в табл. 5.
Куколки были помещены на фильтровальную бумагу в чашки Петри раздельно - самцы в одни чашки, самки - в другие. После выхода имаго по 5 пар было отсажено в цилиндры из фильтровальной бумаги. Отбирались самки не старше двух дней и самцы в возрасте одного дня. Отложенные на фильтровальной бумаге яйца были подсчитаны и определено количество яиц на одну самку (табл. 5, пр.). Как видно из табл. 5, наибольшее количество яиц - 448±19 на одну самку, было отложено в контрольной группе. В группах, питавшихся на ЭПС-9 и ЭПС-10, плодовитость снижена почти в два раза (275±10 и 259±Ю яиц на одну самку соответственно).
Для эксперимента было отобрано по 35 гусениц четвертого возраста массой от 33 до 39 мг, которые питались па контрольной среде ИПС-3 и экспериментальных питательных средах ЭПС-9 и ЭПС-10 с О J и 0,01% 20Е. Гусеницы были помещены в большие чашки Петри группами по пять штук. Результаты наблюдений за развитием гусениц приведены в табл. б и 7 и на рис. 22 и 23 (пр.).
Как видно на рис. 22, изменение средней массы гусениц проходило через два максимума. Для гусениц в контроле и на ЭПС-10 максимальная средняя масса была достигнута на восьмые сутки и составила 504±8 и 499±17 мг соответственно. В контроле на пятые сутки наблюдалась гибель двух гусениц, и до конца эксперимента оставшиеся гусеницы были живы и активно питались. На ЭПС-9 с высоким содержанием 20Е гибель гусениц наблюдалась в течение всего эксперимента и на 27-е сутки достигла 23%. На ЭПС-10 с более низким содержанием 20Е на восьмые сутки гибель гусениц достигла 11,5%, и до конца эксперимента гибели гусениц больше не наблюдалось. Развитие гусениц, взятых в эксперимент с IV возраста, до их окукливания в контроле и на ЭПС-10 протекало в течение 13 суток. Для гусениц, питавшихся на ЭПС-9, этот период растянулся до 20 суток. На рис. 23(пр.) приведено среднее суточное потребление пищи на одну гусеницу. Начиная со вторых суток, количество потребляемой пищи на всех средах росло и на пятые сутки достигло максимума. Минимальное потребление пищи приходится на восьмые-девятые сутки, когда гусеницы перестали питаться перед началом окукливания. Затем потребление пиши снова несколько возрастает, т.к. основная часть гусениц окуклилась, а оставшиеся единичные особи продолжали питаться перед окукливанием. На ЭПС-9 с более высоким содержанием 20Е период развития гусениц значительно растянулся по сравнению с контролем и ЭПС-10. На 13-е сутки, когда в контрольной группе и на ЭПС-10 все гусеницы окуклились, на ЭПС-9 продолжали питаться 14,3% гусениц. Лишь на 21-е сутки все гусеницы окуклились, за исключением одной, которая не питалась, не развивалась и на 27-с сутки наблюдений погибла, так и не перелиняв на куколку. Влияние экдистероидсодержащей диеты на плодовитость самок, полученных из гусениц, взятых в эксперимент в IV возрасте, выразилось в значительном снижении числа яиц на одну самку по сравнению с контрольной группой (табл. 7, пр.).
Экди стероид содержащая диета влияла на развитие гусениц, взятых в эксперимент в VI возрасте, особенно на плодовитость самок S. /ittoraiis. Диета с более высокой концентрацией 20Е (0,1%) вызывала и более высокий процент гибели гусениц VI возраста. Если в контрольной группе и на ЭПС-10 с более низким содержанием экдистероида на третий день погибло 12% гусениц, то на ЭПС-9 количество погибших гусениц составило 20%. Гормональное действие 20Е проявлялось в обоих случаях - на ЭПС-9 и ЭПС-10 на четвертые сутки наблюдений окуклилось 60% гусениц, в то время, как в контроле - лишь 32%. Однако на ЭПС-9 наблюдалось образование двух аномальных куколок, а общее количество жизнеспособных куколок составило всего 72%, в то время как в контрольной группе и на ЭПС-10 оно достигло 88%. Диета с более низким содержанием 20Е способствовала лучшему усвоению пищи и развитию гусениц. Максимальная средняя масса одной гусеницы на вторые сутки на ЭПС-10 достигла 457±26 мг (привес составил 119 мг), в то время как в контрольной группе и на ЭПС-9 максимальная средняя масса одной гусеницы была почти одинаковой - 390 и 389 мг (привес в контрольной группе - 104 мг, на ЭПС-9 - 86 мг). Вместе с тем среднее суточное потребление пищи в контрольной группе было значительно выше, чем на экспериментальных средах. Экдистероидсодержатая диета подавляла репродуктивные функции самок S. liuoralis, полученных из гусениц VI возраста, снижая количество яиц на одну самку почти в два раза по сравнению с контрольной группой.
