Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1.Морфологическое описание массовых видов паутинных клещей рода Tetranychus 11
1.2. Биоэкология массовых видов паутинных клещей рода Tetranychus. 14
1.3. Растения-хозяева массовых видов паутинных клещей рода Tetranychus и устойчивость к ним сортов растений 19
1.4. Физиопатология растений, повреждаемых колюще-сосущими вредителями, в том числе паутинными клещами 23
1.5. Флуоресценция хлорофилла 28
1.6. Экономический порог вредоносности и экономический уровень поврежденности вредителей 33
Экспериментальная часть 37
Глава 2. Материал, общая методика исследований, агроклиматическая характеристика исследуемых сезонов 37
2.1. Биологический материал 37
2.2. Общая методика исследований 41
2.2.1. Поддержание маточных колоний паутинных клещей 42
2.2.2. Методики расчета биологических параметров развития размножения T. atlanticus на землянике садовой 44
2.2.3. Методики оценки физиологического состояния повреждаемых растений садовой земляники T. atlanticus 45
2.2.4. Методика проведения фитосанитарного мониторинга промышленных плантаций земляники в отношении T. atlanticus 47
2.3. Агроклиматические условия исследуемых сезонов 48
Глава 3. Биологические аспекты повреждения растений земляники паутинным клещом T. atlanticus 52
3.1. Комплексная биофизическая диагностика повреждений фотосинтетического аппарата земляники садовой, вызываемых паутинным клещом Т. atlanticus, на примере сорта Царица 52
Глава 4. Сезонная динамика численности популяций паутинного клеща T. atlanticus и инструментальная оценка поврежденности листьев земляники на промышленных плантациях земляники в условиях Московской области 67
4.1. Сезонная динамика численности популяций паутинного клеща T. atlanticus на промышленных плантациях земляники в условиях Московской области 67
4.2. Полевая инструментальная оценка поврежднности плодоносящей земляники паутинным клещом Т. atlanticus на основе биофизических (физиологических) показателей 70
Глава 5. Прогностическая относительная оценка сортов земляники на устойчивость / восприимчивость к паутинному клещу Т. atlanticus 87
Заключение 100
Рекомендации производству 103
Благодарности 104
Список литературы 105
- Физиопатология растений, повреждаемых колюще-сосущими вредителями, в том числе паутинными клещами
- Комплексная биофизическая диагностика повреждений фотосинтетического аппарата земляники садовой, вызываемых паутинным клещом Т. atlanticus, на примере сорта Царица
- Полевая инструментальная оценка поврежднности плодоносящей земляники паутинным клещом Т. atlanticus на основе биофизических (физиологических) показателей
- Прогностическая относительная оценка сортов земляники на устойчивость / восприимчивость к паутинному клещу Т. atlanticus
Введение к работе
Актуальность проблемы. Атлантический паутинный клещ (Tetranychus atlanticus McGregor, 1941) (Acari: Tetranychidae), также именуемый рядом исследователей-акарологов как туркестанский паутинный клещ (Tetranychus turkestani Ugarov et Nikolski, 1937) – один из основных вредителей многих сельскохозяйственных культур, в том числе овощных, плодовых, цитрусовых, ягодных, декоративных, винограда и хлопчатника (Вайнштейн, 1960; Лившиц, 1975; Митрофанов и др., 1987; Попов, 1997; Bailly et al., 2004; ). Этот вид широко распространен по всему миру. Размножаясь и повреждая фотосинтетический аппарат растений, он значительно снижает урожайность многих сельскохозяйственных культур. Огромное экономическое значение T. atlanticus и других близких видов паутинных клещей рода Tetranychus как опасных вредителей сельскохозяйственных культур побудило многих ученых сделать их предметом своих исследований (Васильев,1910; Антонова, 1960; Беклемишев, 1970; Burnett, Prey, 1971; Малов, Шевелова,1973; Atanasov, 1973; Исаичев, 1975, 1988; Митрофанов, 1980; Попов, 1981, 1997, 2013; De Angelis et al., 1982; Бегляров, 1987; Johnson, Lyon, 1991 и др.).
Взрослые особи, нимфы и личинки паутинного клеща прокалывают эпидермальные клетки листа и поглощают содержимое клеток мезофилла. При этом наносится ущерб и соседним неповрежденным клеткам. В результате снижается интенсивность фотосинтеза, содержание хлорофилла, изменяется окраска листьев (Tanigoshi, Davis, 1978; Kielkiewicz, 1985; Park, Lee, 2002; Маторин, 2012).
На протяжении многих десятилетий при оценке поврежденности листьев растений паутинным клещом было принято использовать визуальный метод с указанием балла повреждения в рамках 5-балльной шкалы (Шапиро, 1985 и др.). Однако наиболее точным инструментом оценки степени повреждения листовой ткани могут служить физиологические показатели повреждаемого растения, которые рассчитываются на основе инструментальных методов (Попов и др., 2016). Одним из них является флуоресценция хлорофилла, параметры которой характеризуют степень повреждения листьев этим колюще-сосущим вредителем (Latrou et al., 1995; Байков и др., 2013).
Пока известно достаточно мало работ, где бы повреждаемость
сельскохозяйственных культур в полевых или лабораторных условиях
оценивалась показателями, связанными с фотосинтезом растений, в том числе с
показателями флуоресценции (см.: Maxwell, Johnson, 2000; Рубин, 2005; Гинс,
2011 и др.).
Следует отметить, что до представляемой нами работы пороги вредоносности паутинных клещей, содержащие инструментальные наукоёмкие физиологические показатели повреждаемого растения, не были рассчитаны.
Между тем, согласно принципам интегрированной защиты растений
экологические аспекты ограничения вредоносности популяций насекомых и
клещей, включая пороги вредоносности, фитосанитарный мониторинг
агробиоценозов, прогноз численности, вредоносности вредителей, целевое применение средств защиты растений – чрезвычайно важны (Соколов и др., 1994; Зубков, 1995; Долженко, 2003; Захваткин, 2009; Попов, 2013, 2017).
Цель и задачи работы. Целью работы являлась оценка поврежденности листьев земляники садовой (Fragaria ananassa Duch.) на основе биофизических (физиологических) параметров со стороны массового вида паутинных клещей – атлантического паутинного клеща и расчет уровней вредоносности на землянике садовой.
Для достижения поставленной цели планировалось решение следующих задач:
-
Провести комплексную биофизическую диагностику повреждений модельного сорта земляники садовой атлантическим паутинным клещом в зависимости от его плотности популяции;
-
Применить современные методики оценки биофизических (физиологических) параметров растений земляники садовой при разных уровнях поврежденности листьев атлантическим паутинным клещом;
-
Выявить оптимальный физиологический параметр для оценки вредоносности атлантического паутинного клеща на землянике садовой;
-
Рассчитать уровни (пороги) поврежденности листьев земляники садовой, а именно, экономический уровень поврежденности (ЭУП) и экономический порог вредоносности (ЭПВ) в лабораторных и полевых условиях.
-
Осуществить прогностическую относительную оценку ряда сортов земляники на устойчивость (восприимчивость) к атлантическому паутинному клещу.
Научная новизна. Впервые представлен инструментальный подход к
определению порогов вредоносности паутинного клеща T. atlanticus на основе
физиологического параметра поврежденности листьев земляники –
флуоресценции. В качестве этого параметра использована величина
максимальной относительной скорости электронного транспорта (rETRmax). В качестве инструментального физиологического показателя экономического уровня поврежденности (ЭУП) паутинного клеща на землянике садовой взят показатель соотношения rETRmax опытного и контрольного вариантов, лежащий в пределах 1,4-1,8, а экономического порога вредоносности (ЭПВ) – 1,1-1,2 условных единиц.
Разработана методическая основа прогностической относительной оценки сортов земляники на устойчивость (восприимчивость) к паутинному клещу.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в пополнении знаний в области популяционной экологии сосущих вредителей и в интегрированной защите растений в части инструментального подхода к расчету экономического уровня поврежденности (ЭУП) и, соответственно, экономического порога вредоносности (ЭПВ) на основе физиологических показателей поврежденности растения.
Практическая значимость работы заключается в расчете ряда
физиологических показателей флуоресценции, выбора оптимального показателя из них – величины максимальной относительной скорости электронного
транспорта rETRmax и расчета экономического уровня поврежденности (ЭУП) как показателя существенного уровня поврежденности, по которому оценивается разрушительное воздействие фитофага, и экономического порога вредоносности (ЭПВ) как сигнала для проведения защитных мероприятий против паутинного клеща на землянике садовой. Данные, полученные в результате исследований, могут быть использованы в совершенствовании интегрированной защиты растений.
Методология и методы диссертационного исследования. В работе
использованы апробированные методы лабораторных и полевых научных
исследований с насекомыми. В качестве методологии избраны принципы
интегрированной защиты растений. Для достижения поставленной цели и
решения задач была выбрана система выверенных общепринятых, а также новых
тестируемых методов акарологических исследований. В частности, в
лабораторных исследованиях применялись общепринятые методы
культивирования паутинных клещей, определения их основных биологических популяционных параметров.
Измерения флуоресценции хлорофилла в листьях земляники проводили с коллегами из лаборатории физиологии и биохимии растений, интродукции и функциональных продуктов Федерального научного центра овощеводства (ранее ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур) с помощью PАМ-флуоpиметpа JUNIOR-PAM (Heinz Walz, Германия) по оригинальным методикам (Baikov et al., 2012).
Положения, выносимые на защиту:
-
Использование параметров флуоресценции и динамики численности атлантического паутинного клеща как инструментальных критериев для оценки состояния листьев земляники садовой, повреждаемых вредителем;
-
Расчет экономического уровня поврежденности (ЭУП) и экономического порога вредоносности (ЭПВ) паутинного клеща на землянике садовой на основе выбора оптимального параметра флуоресценции – величины относительной скорости электронного транспорта (rETR).
Степень достоверности. Полученные результаты исследований
анализировали на основе однофакторного дисперсионного анализа с помощью t-критерия, ошибки средней (SE) и критерия Тьюки при достоверности данных р < 0.05, с использованием программного обеспечения Statistica 6.0.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований
доложены на Международной научной конференции РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева, посвященной 150-летию академика В.Р. Вильямса, 3-5 декабря 2013 г.; Международной научной конференции молодых учёных и специалистов, посвящённой 150-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2-3 июня 2015 г.; XI Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», г. Пущино, 15-19 июня 2015 г.; IV Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы», посвящённой 95-летию ФГБНУ ВНИИССОК, 10-14 августа 2015 г.; VII Международном форуме «Дни сада в Бирюлево», Международной научно-
практической конференции «Современные направления защиты садовых культур от вредных организмов», посвящённой 85-летию со дня рождения доктора биологических наук, профессора Эдгара Михайловича Дроздовского, ФГБНУ ВСТИСП г. Москва, 18-20 августа 2016 г.; Международной научно-практической конференции, посвященной 130-летию Н.И. Вавилова, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 5-7 декабря 2017 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части (4 главы), заключения, рекомендаций производству, благодарностей и списка использованной литературы. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 29 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 187 источников, из которых 106 на иностранном языке и 12 ссылок на интернет-ресурсы.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.б.н., профессору Попову С.Я. за помощь и постоянное внимание к работе, коллективу кафедры защиты растений, заведующему лабораторией физиологии и биохимии растений, интродукции и функциональных продуктов Федерального научного центра овощеводства (ранее ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур) Гинсу М.С. и старшему научному сотруднику названной лаборатории Байкову А.А. за совместное проведение части исследований.
Физиопатология растений, повреждаемых колюще-сосущими вредителями, в том числе паутинными клещами
Растения, чтобы защитить себя от фитофагов, развивают сложные стратегии, в которых ключевую роль играют как ткани, так и различные синтезируемые соединения. Состав защитных соединений синтезируется в зависимости от типа атакующего и его пищевого поведения (Третьяков, 2005; Leitner et al., 2005; Delphia et al., 2007; Кошкин, 2010). Между основными растениями-хозяевами и фитофагами отмечено явление коэволюции.
Как уже отмечалось, паутинные клещи являются распространенными вредителями многих культур (Ratcliffe et al.,1960; Bueno et al., 2009). Они питаются преимущественно на нижней части листовой поверхности и редко на верхней части листьев (Jeppson et al.,1975). Ротовой аппарат у паутинных клещей колюще-сосущий и состоит из парных и частично слитых хелицеральных стилетов, которые проникают в листовую ткань растения и разрушают мезофилл тканей, лежащий за эпидермисом (Hislop, Jeppson, 1976). Длина стилета паутинного клеща может достигать фотосинтетически активной ткани мезофилла листа. При проколе повреждаются отдельные клетки растения, однако, даже соседние клетки неповрежденной ткани могут показать небольшие симптомы повреждения (Park, Lee, 2002). Эти травмы указывают на разрушения хлоропластов листа. Таким образом, повреждение растения паутинными клещами обуславливает снижение содержания хлорофилла (De Angelis et al., 1983; Welter et al.,1989; Campbell et al., 1990; Haile et al., 2003; Macedo et al., 2003; Байков и др., 2013). Поврежденная листовая поверхность характеризуется проколотыми и мертвыми клетками эпидермиса, разрушенной кутикулой и обломками клеточной стенки проколотых клеток мезофилла (Bondada et al., 1995; Haile, Higley, 2003; Bueno et al., 2009).
Изменения в физиологических процессах (фотосинтез, дыхание, устьичная проводимость и транспирация) растений в ответ на повреждения колюще-сосущими вредителями являются ключевыми факторами, определяющими рост и развитие растений (Peterson, Higley, 1993; Haile, Higley, 2003). Кроме того, колюще-сосущие вредители, которые вызывают в растениях физиологические реакции, могут быть сгруппированы, что позволяет изучать развитие повреждений для нескольких видов (Peterson, Higley, 2001).
Группой ученых из США в 1995 г. (Bondada et al., 1995) было установлено, что физиологические реакции, связанные с газообменом, были значительно снижены в заселенных листьях хлопчатника по сравнению с контролем. Фотосинтез в листьях, заселенных клещами, намного ниже 9,38 ммоль СО2/м2/s, чем у контрольных растений 17,33 ммоль СО2/м2/s. Это снижение фотосинтеза вызвано изменениями в особенности листовой поверхности, в частности, устьичного аппарата, а также внутреннего повреждения клеток мезофилла листа. Устьица листьев, заселенных клещами, были закрыты, вся картина напоминала симптомы водного стресса. Аналогичное описание было сделано Сансес с соавторами (Sances et al., 1981) в заселенных клещом листьях земляники. Так, устьица являются основным каналом для ввода СО2 в лист. Закрытые устьица поражаемых клещом листьев ингибируют приток СО2 в хлоропластах губчатых клеток мезофилла, который является одним из составляющих фотосинтеза в листьях (Nobel, 1991). Исследования Сансес с соавторами (Sances et al., 1981) также показали, что закрытие устьиц связано с проникновением клеща и являлось основной причиной для снижения поглощения СО2 в зараженных листьях земляники. В исследованиях, которые описывают воздействие водного стресса на фотосинтез, было обнаружено, что устьичное закрытие было доминирующим фактором, ограничивающим фотосинтез (Bondada et al., 1995). Таким образом, вполне вероятно, что водный стресс, вызванный повреждением устьичного аппарата клещом, служит для снижения фотосинтеза, связанного с повреждением обыкновенного паутинного клеща растений хлопчатника.
Нарушается поглощение СО2 и фиксируется уменьшение доступности простых углеводов, необходимых в развитии вегетативных и репродуктивных органов растения (Sances et al., 1981), что приводит к уменьшению размера плодов и, впоследствии, к снижению общей производительности (Wullschleger, Oosterhuis, 1990).
Параллельно с фотосинтезом снижается проводимость устьиц и транспирация (Bondada et al., 1994). Есть и другие исследования, которые также свидетельствуют об аналогичных сокращениях в проводимости устьиц и интенсивности транспирации клещей повреждаемых листьев (De Angelis, Berry, Krantz, 1983; Mobley, Marini, 1990). Кроме того, снижение потока транспирации в листьях, заселенных клещами, может действовать одновременно с сокращением доступных продуктов фотосинтеза, вследствие чего снижается рост, развитие и продуктивность растения (Sances et al., 1981).
В дополнение к снижению газообмена пораженные листья имеют более низкое содержание хлорофилла, чем непораженные. Аналогичное снижение содержания хлорофилла наблюдали и в поврежденных листьях мяты Де Ангелис с коллегами (De Angelis et al., 1983). Исследователи предположили, что потеря хлорофилла в листьях, повреждаемых клещами, была результатом разрушения клеток. Более низкое содержание хлорофилла, в сочетании с закрытием устьиц, возможно, снижает эффективность фотосинтеза на его светлых и темных фазах в поврежденных листьях.
Одновременно с физиологическими изменениями в поврежденных клещами листьях наблюдались также цитологические изменения.
Исследователи считают, что основной причиной снижения фотосинтеза в листьях, поврежденных клещами, было внутреннее повреждение губчатого мезофилла клеток (Sances et al.,1981; Helle, Sabelis, 1986; Rabbinge, 1985; Sabelis, 1991; Nobel, 1993). В листьях хлоропласты расположены в рыхлых мезофилльных клетках. Любое повреждение хлоропластов в этих клетках уменьшает фотосинтез. Исследования показали, что хлоропласты губчатого мезофилла клеток в листьях, заселенных клещами, были деформированными и «вздутыми» из-за наличия большого количества пластоглобул, заполняющих весь хлоропласт. Это напоминало симптомы природного старения (Bondada, 1994). Более ранние исследования показали, что увеличение размера пластоглобул было связано с распадом гран (Lichtenthaler, 1968). Как правило, грана распадается со старением и приводит к развитию большого количества пластоглобул (Butler, 1971). Ученые выяснили, что протеолитические ферменты в слюне клеща также могут отчасти влиять на жизненные свойства органелл.
Физиологические и цитологические изменения совершенно очевидно показывают, что конечным результатом повреждения листа паутинными клещами является уменьшение фотосинтеза (Bondada, 1994).
В опытах, проводимых бразильскими учеными в 2009 году на сое (Bueno et al., 2009), была установлена зависимость физиологических реакций растений от повреждения обыкновенным паутинным клещом. В полевом опыте после заражения растений сои обыкновенным паутинным клещом в течение 5-10 дней визуальные симптомы не наблюдались и плотность популяции клещей значительно не увеличивалась. Однако, даже без каких либо визуальных симптомов, способность опытных растений к фотосинтезу была нарушена. Растения оценивали на 5-е и 10-е сутки после заселения обыкновенным паутинным клещом. Снижение фотосинтетической активности выявилось на 10-е сутки после заселения. Растения сои, заселенные Т. urticae, ни в один из оценочных дней не показывали сокращения содержания хлорофилла в листьях. Тем не менее, заселенные листья показывали низкие значения проводимости устьиц. Таким образом, устьичная проводимость, вероятно, является причиной снижения фотосинтетического аппарата в опытных растениях сои. Физиологические реакции растений на повреждения паутинным клещом, заключающиеся в снижение фотосинтеза, являются следствием закрытия устьиц (Bueno et al., 2009).
Результаты показывают, что снижение концентрации хлорофилла в листьях происходит в основном из-за повреждений паутинным клещом (Nachman, Zemek, 2002; Bueno et al., 2009).
Из полученных результатов следует, что снижение фотосинтеза было связано с устьичным ограничением в доступности CO2. Однако даже небольшая плотность популяции обыкновенного паутинного клеща может быть серьезной опасностью, связанной со снижением фотосинтетической активностью, при которой происходит сокращение урожайности (Bueno et al., 2009).
Комплексная биофизическая диагностика повреждений фотосинтетического аппарата земляники садовой, вызываемых паутинным клещом Т. atlanticus, на примере сорта Царица
В последние десятилетия оценку вредоносности колюще-сосущих вредителей дают инструментальными методами, в частности, используя показатели флуоресценции хлорофилла в листьях повреждаемого растения. В данном разделе рассматривается, как параметры флуоресценции могут быть использованы для оценки реакции растений земляники на воздействие паутинных клещей.
Размножаясь в большом количестве, особи паутинных клещей приводят к потере хлорофилла и снижению фотосинтетической активности листьев повреждаемых растений (Sances et al., 1979; De Angelis et al., 1982; Park, Lee, 2005). В листьях земляники, поврежденных паутинным клещом, наблюдаются следующие изменения фотосинтетического аппарата: трансформация структуры хлоропластов, уменьшение концентрации xлоpофилла, частичное ингибирование фотосинтеза и проводимости устьиц, сокращение устьичной (в дневное время) тpанcпиpации и увеличение кутикуляpной (в ночное время) тpанcпиpации; повреждения приводят к преждевременному старению листьев и снижению в них содержания азота (De Angelis et al., 1982; Bondada et al., 1995; Байков и др., 2013). Указанный характер повреждения исследуется разными методами. Однако среди них в последние годы вс более широко распространяется метод флуоресценции хлорофилла. Несмотря на объмную картину оценки повреждения листьев, интерпретация данных остатся ещ сложной и местами противоречивой (Maxwell, Johnson, 2000; Bueno et al., 2009; Makaraci, Flore, 2012).
Масштабы ущерба, наносимого паутинными клещами, определяют необходимость глубокого изучения механизмов воздействия вредителя на сельскохозяйственные культуры и соответствующие ответные реакции растений. Видимые симптомы повреждения, особенно на начальном этапе, могут быть неспецифичны, а методы биохимического анализа и термолюминесценции (Baikov et al., 2012) приводят к разрушению образца, являясь при этом трудоемкими и дорогими. В тоже время регистрация флуоресценции хлорофилла является неразрушающим методом измерения, применяемым для диагностики состояния растений в различных условиях (Вацадзе и др., 2011; Пахненко и др., 2012). Применительно к клещевому повреждению при регистрации импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла в листьях земляники садовой в качестве численных характеристик предложено использовать величину нефотоxимичеcкого тушения флуоpеcценции (NPQ) и эффективный фотохимический квантовый выход ФС II (Y(II)) (Байков и др., 2013).
В настоящей работе измерения флуоресценции хлорофилла в листе проводили с помощью PАМ-флуоpиметpа модели JUNIOR-PAM (Рисунок 2) как описано в нашей публикации по данной тематике (Пономаренко и др., 2015).
Цель настоящего исследования состояла в оценке характера и глубины физиологических процессов повреждения листьев земляники паутинными клещами, а также в обосновании использования биофизических показателей повреждения листьев в качестве экономического порога вредоносности (ЭПВ) и экономического уровня поврежденности (ЭУП) паутинного клеща.
Регистрировали размножение Т. atlanticus на сорте земляники Царица, выращиваемой в лабораторных контролируемых условиях, с одновременной оценкой степени поврежденности с помощью названного флуориметра.
Первоначально молодых, вступивших в возраст откладки яиц самок отбирали из лабораторной маточной колонии Т. atlanticus, поддерживаемой на кафедре защиты растений РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева. Эта колония была основана в 1998 г. из особей, отобранных с растений земляники ЗАО «Совхоз имени Ленина» Ленинского района Московской области.
Для поддержания маточной колонии Т. atlanticus использовали листовые пластинки растений кустовой фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.), которые выращивали в оптимальных условиях в пластиковых контейнерах объмом 3 л с однотипной плодородной почвой, без внесения удобрений.
Растения земляники садовой сорта Царица выращивали в лабораторном помещении кафедры защиты растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева в пластиковых горшках на почвенно-торфяной удобренной смеси при температуре воздуха 22±2С, относительной влажности воздуха 75±10%, фотопериоде (L:D) 16:8 ч. Такие же условия выдерживали при культивировании самок на землянике.
Растения земляники заселяли из расчета 1 половозрелая самка Т. atlanticus на каждую листовую пластинку растения земляники. На каждом сорте землянике через каждые 3 сут с помощью бинокулярного микроскопа проводили подсчет яиц, личинок, нимф, самок и самцов. При этом микроскоп и контейнер с растением устанавливали таким образом, чтобы можно было перевернуть листовую пластинку и подсчитать особей на е нижней стороне.
Подсадка молодых самок Т. atlanticus на листья каждого сорта земляники осуществлена 19 июня 2013 г. – этой дате соответствует начальная точка кривой динамики численности на 1-е сутки. Вся динамика численности особей Т. atlanticus на обозначенных сортах земляники приведена на рисунке 11.
В работе С. Я. Попова (2003) поврежденные листья визуально оценивались по 5-балльной шкале поврежденности, где за 2 балла принимали повреждение листовой ткани в пределах 6-25 %, 3 балла –26-50 %, 4 балла – 51-75 % и 5 баллов – свыше 75 %. Также им было установлено, что уровень повреждения листьев, оцениваемый 4 и 5 баллами, вызывала численность паутинных клещей, равная 40 и более постэмбриональных особей на 1 листовой пластинке земляники. Этот показатель далее в наших исследованиях использовался в качестве отправного параметра экономического уровня поврежденности (ЭУП). Однако, как будет показано далее, наиболее точным инструментом оценки степени повреждения листовой ткани могут служить физиологические показатели повреждаемого растения, которые рассчитываются на основе инструментальных методов (Попов и др., 2016). Одним из них является флуоресценция хлорофилла, параметры которой характеризуют степень повреждения листьев этим колюще-сосущим вредителем (Latrou et al., 1995; Байков и др., 2013).
Кривые динамики численности на обоих сортах имеют вид, характерный для умеренного размножения популяции паутинного клеща.
Пик роста численности Т. atlanticus, приближающийся к пороговому значению (40 постэмбриональных особей на 1 листовую пластинку), отмечался на 28-37-е сутки (с 17 по 26 июля), при этом на 31-е сутки (19 июля), численность фитофага сорта Царица достигла максимума – 42,8 постэмбриональных особей на 1 листовую пластинку в среднем для пробы (Попов и др., 2016) (Рисунок 11).
На основании этих данных за каждые 3 сут рассчитывали показатель клеще-дней (см. Sances et al., 1979):
Mite-days (клеще-дни) = (Х / Scm2) t, где Х – количество клещей (постэмбриональные стадии), S cm2 – площадь листьев, t – интервал дней между учетами.
Динамика изменения показателя «клеще-дни» почти копировала процесс динамики численности особей паутинного клеща (Рисунок 12). Точно так же пик увеличения паутинного клеща на сорте Царица приходился на 28-37-е сутки, при этом в промежутке между 28 и 31-е сутки он достигал максимума, составляя 65,1 клеще-день.
Поскольку повреждения листьев при питании паутинными клещами являются накопительными в течение определенного времени, это часто выражается в виде комбинации «уровень заселения плюс продолжительность питания». Данный параметр называется «сумма клеще-дней» (Таблица 1).
Полевая инструментальная оценка поврежднности плодоносящей земляники паутинным клещом Т. atlanticus на основе биофизических (физиологических) показателей
При проведении фитосанитарного мониторинга промышленных плантаций земляники в отношении паутинного клеща специалисты нередко руководствуются плотностью и демографической структурой его популяции, репродуктивными показателями, степенью повреждения листового аппарата, а также текущими и прогнозируемыми гидротермическими условиями.
На основании многолетних учтов в Подмосковье выявлено (Попов, 2003), что численность паутинных клещей, равная 40 и более постэмбриональным особям в расчете на 1 листовую пластинку земляники в период формирования ягод, вызывает уровень повреждения листьев в 4-5 баллов (51-75 % и более поврежденности листовой ткани); данный уровень квалифицируется как вспышка массового размножения. В тех случаях, когда в тот же период на листовой пластинке земляники насчитывалось в среднем около 30 постэмбриональных особей, поврежденность листьев не превышала 3 баллов (26-50 % поврежденности), что практически не сказывалось на урожайности (там же).
Для расчета экономического уровня поврежденности – ЭУП (Economical Injury Level – EIL), например, сои исследователи использовали показатель процента пораженной клещами площади листьев, при этом за ЭУП принимали присутствие 13 % хлороза поверхности листа (Suekane et al., 2012).
Однако наиболее точным инструментом оценки степени повреждения листовой ткани служат физиологические показатели повреждаемого растения, которые рассчитываются на основе инструментальных методов и, следовательно, не зависят от оценочных погрешностей конкретного исследователя.
В опубликованной работе Байкова и др. (2013) было показано, что уже на ранних стадиях люминесцентные характеристики листьев земляники чувствительны к клещевому повреждению.
Отметим, что к настоящему времени не разработаны инструментальные пороги вредоносности паутинных клещей, содержащие наукомкие физиологические показатели поражаемого растения. В связи с этим нами осуществлена разработка инструментальной оценки поврежднности плодоносящей земляники паутинным клещом на основе анализа флуоресцентных характеристик листьев.
Объектом исследования являлся атлантический паутинный клещ Tetranychus atlanticus McGregor, 1941 (sensu Mitrofanov, 1987), обитающий на плантации садовой земляники сортов Ред Гонтлет и Хоней в плодово-ягодном хозяйстве ЗАО «Совхоз имени Ленина» Ленинского района Московской области.
В начале мая путем рекогносцировочных визуальных учетов выделяли экспериментальный участок размером 20 30 м, который не обрабатывался пестицидами и на котором мы фиксировали сезонную динамику численности популяции паутинного клеща.
Поскольку уровень поврежденности прямо зависит от плотности популяции паутинного клеща, то, соответственно, фиксировалась динамика численности постэмбриональных особей на листовых пластинках и динамика поврежденности, регистрируемая на основе флуоресцентных характеристик листьев.
Для оценки численности паутинного клеща и поврежденности листового аппарата плодоносящей земляники производили отбор проб по 50 листьев каждые 7 дней, начиная с 3-й декады мая, когда в основном завершается рост новых весенних листьев. Численность клещей подсчитывали под бинокулярным микроскопом, при этом выделяли все возрастные стадии развития. В пробе анализировали по 50 тройчатых листьев с указанием всех возрастных стадий растительноядных клещей, с последующим суммированием всех постэмбриональных стадий.
Измерение флуоресценции хлорофилла в листе проводили с помощью флуориметра JUNIOR-PAM (Heinz Walz, Германия), к которому доставляли пробу листьев в день отбора пробы. Тестируемые образцы предварительно адаптировали к темноте в течение 30 мин. Параметр Fv/Fm (характеризующий максимальную эффективность фотохимического разделения зарядов в ФС II) и относительную скорость электронного транспорта (rETR), рассчитывали согласно работе (Maxwell, Johnson, 2000).
Стандартно динамика численности в весенний и ранне-летний период отличается низкой плотностью популяции паутинного клеща, и симптомы повреждения в этот период практически отсутствуют. По мере размножения особей в отдельных впадинках листовой пластинки, где концентрируются колонии фитофага, начинают проявляться некрозы, имеющие вид тонкостилетных наколов. Со временем некротические пятна увеличиваются и даже могут сливаться.
Динамика численности паутинного клеща в 2014 г. на экспериментальном участке земляники в ЗАО «Совхоз имени Ленина» на сорте Ред Гонтлет изображена на рисунке 17. Первым суткам соответствовало 6 мая. Динамика численности имеет вид, характерный для умеренного размножения популяции паутинного клеща. Действительно, июнь 2014 года отличался невысокими температурами и повышенным количеством осадков. Начиная с середины первой декады июля, наступила сушь, и температуры начали превышать средние многолетние значения.
Как видно из рисунка 17, пик роста численности паутинного клеща, приближающийся к пороговому значению, отмечался с 1 по 15 июля, при этом 15 июля численность фитофага достигла максимума – 39,8 постэмбриональных особей на 1 листе в среднем для пробы.
Флуоресцентные характеристики листьев, повреждаемых паутинным клещом, регистрировали с 11 июня по 23 июля, когда численность популяции была близка к своему пороговому значению, а затем пошла на спад. В качестве контроля при оценке физиологических характеристик растения использовали листья без внешних признаков повреждения и наличия паутинных клещей.
Оценку поврежденности листьев земляники паутинным клещом осуществляли с помощью относительной скорости электронного транспорта (параметр rETR) при разной интенсивности фотосинтетической активной радиации (ФАР). Соотнесение каждой интенсивности света значения rETR дает так называемые быстрые световые кривые.
Прогностическая относительная оценка сортов земляники на устойчивость / восприимчивость к паутинному клещу Т. atlanticus
Использование сортов или гибридов культурных растений, устойчивых к фитофагам, – важный прием ограничения их вредоносности. Этот подход позволяет переходить от стандартных пестицидных технологий защиты к экологизированным системам и в идеале получать продукцию, свободную от пестицидных остатков. Устойчивость / восприимчивость сортов и гибридов также учитывается в показателях уровней вредоносности вредителей (экономическом уровне поврежденности и экономическом пороге вредоносности). Наиболее важными хозяйственно-ценными признаками новых сортов и гибридов являются иммуногенетические свойства растений.
Выявлено, что разнообразные ростовые, органообразовательные, морфо анатомические и физиолого-биохимические свойства растений выполняют барьерные функции, ограничивающие использование фитофагами растений как источника питания и среды обитания. По мнению специалистов в области устойчивости культурных растений к фитофагам, формирование устойчивых генотипов чаще всего связано с проявлениями морфологического, органогенетического, физиологического, атрептического, оксидативного и ингибиторного иммунологического барьеров (Вилкова, 2000; Вилкова и др., 2001, 2015; Попов, Пономаренко, 2016).
В данной работе представлен методологический подход, основанный напрогностической оценкесортов земляники садовой в отношении их основных биофизиологических показателей, а также показателей размножения паутинного клеща. Мы предполагали, что при фиксированной плотности популяции паутинного клеща, заселяющего плантацию земляники, сорта земляники с более обильным и стойким листовым аппаратом (количество листьев и площадь листьев, удельная поверхностная плотность листьев) являются более толерантными к фитофагу. Через плодовитость паутинного клеща можно также судить об антибиотическом воздействии сорта на фитофага. Кроме того, сорта земляники с высокой вегетационной способностью размножения, измеряемой количеством усов на растении и розеток на усе и, следовательно, формирующие выраженное проективное покрытие, могут также быть отнесены к потенциально толерантным. Основные показатели, проранжированные относительно друг друга, мы оценили в данной работе. При осуществлении прогностической оценки можно также учитывать и другие дополнительные показатели, значимые для паутинного клеща, а именноприроду химических веществ, ответственных за репродуктивные свойства и выживаемость паутинного клеща, длительность развития постэмбриональных особей, уровень содержания в листьях веществ (например, фарнезола), влияющих на жизненные процессы этого фитофага, строение мезофилла листа и др. (Шапиро, 1985; Ponti De, 1978; Gunsor, Hutchins, 1982; Renquist et al., 1982; Zhang et al., 2012; Попов, Пономаренко, 2016).
В качестве тестируемого растительного материала использовали 5 сортов земляники садовой: Торпеда, Троицкая, Царица, Швед и Эльсанта. Из названных сортов сорт Швед является белоплодным, остальные – красноплодные. В основе предварительного выбора сортов среди красноплодной группы земляники лежал принцип контрастности морфометрических параметров. Оценивали их биологические показатели, связанные с проявлением устойчивости (толерантности) к фитофагам: количество листьев в расчете на 1 растение по категориям листьев, площадь листьев (см2), удельная поверхностная плотность листьев (мг/см2), количество усов на 1 растении, количество розеток на 1 усе. Растения посадки осени 2013 г. выращивали в природных условиях на экспериментальном участке лаборатории защиты растений РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева (г. Москва), наблюдения проводили в 2014 и 2015 гг. Отметим, что показатели количества весенних листьев и площади листьев земляники достаточно тесно коррелировали в пределах сорта (r=0,838), однако корреляционная связь между количеством весенних листьев и количеством усов (на конец вегетационного сезона) оказалась менее выраженной (r=0,611). Тем не менее, это вс свидетельствует, что сорта земляники с мощным габитусом отличаются как бльшим количеством листьев, так и их бльшей площадью.
Лабораторную маточную колонию Т. atlanticus поддерживали на листовых пластинках растений кустовой фасоли обыкновенной (P. vulgaris), которые выращивали в оптимальных условиях.
Площадь листовой пластинки земляники оценивали по методике Николенко и Котова (2010), где использовалась формула: S = (ab) l,4, где a и b - длина и ширина листовой пластинки, а 1,4 - коэффициент пересчета для сортов земляники.
Важным показателем ассимиляционного аппарата растений является удельная поверхностная плотность листа (УППЛ), которая выражается как сухая масса единицы площади листа. УППЛ свидетельствует о мезоструктурной организации листа, содержании ассимилятов и анатомо-морфологических различиях (Федоряко, 2004; Русакова, 2005; Попов, Пономаренко, 2016).
Для определения УППЛ с помощью листового шлямбура диаметром 1,5 см брали высечки из центральной части листа между жилками. Высечки делали из 25 листьев каждого сорта в 8-кратной повторности и высушивали их до постоянной массы при температуре 100С (Миракилов и др., 2013). Также были учтены показатели количества листьев на 1 растении, количества усов на 1 растении и количества розеток на 1 усе в природе на экспериментальном участке (количество повторностей каждого сорта – 25).
Среднесуточную плодовитость Т. atlanticus, а также сумму яиц, отложенных за определенные промежутки времени, измеряли, культивируя одновозрастных половозрелых самок на листьях тестируемых сортов и фасоли (эталон) в термостате с постоянной температурой 25С, относительной влажностью 65-80%, фотопериоде (L:D) 16:8 ч, при этом количество отложенных яиц за первые сутки не учитывалось. Число повторностей (самок) – 12.
За методическую основу прогностической оценки сортов земляники на относительную устойчивость / восприимчивость к паутинному клещу избрали принципы оптимизации и оптимального управления, когда наиболее наджным способом нахождения наилучшего варианта является сравнительная оценка всех возможных вариантов (альтернатив) и когда осуществляется выбор наилучшего (оптимального) варианта из множества возможных (Оптимизация, Большая Российская энциклопедия, 2014). При этом биологические показатели исследуемых сортов земляники рассматривались в контексте установления возможных границ изменения переменных и получения экстремальных значений признаков (Волик, 2014).
Полученные данные обрабатывали статистически в рамках однофакторного дисперсионного анализа по критерию Тьюки с использованием программного обеспечения Statistica 6.0, корреляционный анализ осуществляли по программе Microsoft Excel 2007 (см. Попов, Пономаренко, 2016).
Биологические показатели 5 сортов земляники, выращиваемых на экспериментальном вегетационном участке, оценивали в 2014-2015 гг. в 25-кратной повторности (повторность – 1 растение) на сортовых делянках, включавших 70 растений; анализируемые растения отбирали рендомизированно. Подсчитывали количество весенних и сменивших их в июле-августе летних листьев, площадь этих листьев, а также показатель УППЛ. Основное внимание уделяли весенним листьям, поскольку именно они ответственны за формирование урожая плодов. Учеты произведены: в 2014 г. весенних листьев – 16-22 июня, летних – 11-17 августа, в 2015 г. – 15-21 июня и 10-16 августа, соответственно. Основные сборы плодов осуществлялись в первой половине июля.
Как следует из таблицы 2, в первый год пользования земляники наибольшее количество листьев в расчете на 1 растение оказалось: весенних – у сортов Троицкая, Эльсанта и Торпеда, летних – у сортов Эльсанта и Троицкая; во 2-й год пользования весенних – у сортов Царица, Троицкая и Эльсанта, летних – у сортов Эльсанта, Царица, Торпеда и Троицкая. Наименьшее количество весенних и летних листьев в оба исследуемых года было зафиксировано у сорта белоплодной земляники Швед.