Влияние взаимоотношений в системе растение-насекомое-паразит на развитие и популяционную динамику насекомых

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. Среди многообразия взаимоотношений между растениями и насекомыми важное место занимает фитофагия. В результате коэволюции как у насекомых, так и у растений формируются различные адаптационные механизмы (анатомические, физиологические, экологические и др.), определяющие устойчивое существование системы растение-фитофаг. Вполне закономерно, что изменение состояния одного из звеньев этой системы отразится на другом. А это может приводить к изменению реакций на различные факторы внешней среды.

Исследования взаимоотношений между кормовыми растениями, насекомыми и их паразитами позволили сформулировать концепцию трехкомпонентной системы или системы триотрофа ”растение - насекомое - паразит”, которая подразумевает комплексные взаимоотношения между кормовым растением, насекомым-фитофагом и его естественными врагами, в первую очередь патогенами и паразитоидами.

Многочисленные исследования, начиная с работ Р. Пайтнера, свидетельствуют, что качественные показатели кормовых растений (содержание первичных и вторичных метаболитов) оказывают существенное влияние на насекомых-потребителей, определяя их функциональное состояние и динамику численности. Тем не менее, многие годы роли качества корма в жизнеспособности и популяционной динамике фитофагов уделялось мало внимания хотя некоторые авторы отводили качеству корма решающее значение в популяционной динамике насекомых. Только в конце прошлого столетия огромное количество работ, посвященных взаимосвязи насекомых-фитофагов и растений, позволили признать существенную роль качества корма в жизнеспособности и динамике численности насекомых. Кроме того, имеется большое количество исследований, свидетельствующих о тесной взаимосвязи жизнеспособности насекомых и поражающих их паразитов, т. е. существует опосредованное влияние кормового растения на паразитов насекомых. Однако остается малоизученным вопрос о взаимоотношениях в системе насекомое - паразит на клеточном и организменном уровнях и влияние на них кормового фактора. Практически, отсутствуют исследования систем триотрофа, в которых в качестве паразитов выступают вирусы. Известно, что энтомопатогенные вирусы играют важную роль в динамике численности многих видов насекомых, и поэтому на их основе создано большое число биопрепаратов для контроля численности фитофагов. Почти не исследована связь латентных вирусных инфекций насекомых с трофическим фактором. Между тем эти инфекции широко распространены среди насекомых и отмеченная выше важная роль энтомопатогенных вирусов в динамике численности насекомых тесно связана с этими инфекциями.

До настоящего времени практически не исследовался вопрос о влиянии дефолиации растений, и условий их роста, на пораженность насекомых-фитофагов различными инфекциями и паразитоидами. Особенно важны такие исследования в популяциях растений в естественных экосистемах, например в лесных древостоях. Хотя проведено множество исследований по изучению реакции насекомых на экспериментальную и естественную дефолиацию кормовых растений, однозначных ответов на многие вопросы, связанные с этой реакцией не существует. В частности, остается неизвестным есть ли различия в реакции насекомых на искусственную и естественную дефолиацию, на каком уровне повреждений листвы выявляются изменения в содержании защитных химических соединений в растениях и как это отражается на фитофагах. Кроме того, во многих публикациях авторы приводят диаметрально противоположные данные по тому или иному вопросу, относящемуся к этой проблеме.

Изучение закономерностей взаимоотношений в системе: ”растение-насекомое-паразит” имеет большое значение для разработки стратегии и тактики управления численностью насекомых в природных и искусственных экосистемах (агроценозах). В частности, при использовании энтомопатогенных вирусных препаратов для защиты естественных и искусственных лесонасаждений. Как показывают исследования, существенные трудности, возникающие при использовании этих препаратов, зачастую связаны с игнорированием закономерностей взаимосвязи и взаимообусловленности функционирования трехкомпонентной системы “растение-насекомое-паразит”. Дальнейший прогресс в использовании биопрепаратов и, в частности, вирусных препаратов против насекомых, возможен только с учетом этих закономерностей, предполагающих разработку новой стратегии применения подобных биопрепаратов. Весьма перспективным в этом направлении представляется введение в состав биопрепаратов вторичных метаболитов растений (аллелохемиков), которые могут подавлять ферментные системы кишечника насекомых, способствуя тем самым повышению эффективности действия патогенов, на основе которых произведены биопрепараты.

Целью настоящего исследования было изучение взаимоотношений в системе: «растение-насекомое-паразит» и их влияние на развитие и популяционную динамику насекомых.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние кормовых растений на чувствительность насекомых к вирусной инфекции.

2. Изучить влияние лесорастительных условий и поврежденности листвы кормовых растений на сопряженную популяционную динамику непарного шелкопряда (Lymantria dispar L.), шелкопряда-монашенки (Lymantria monacha L.), рыжего соснового пилильщика (Neodiprion sertifer Geoffr.) и их паразитов (вирусов и паразитоидов).

3. Исследовать сопряженную изменчивость генетической структуры вируса ядерного полиэдроза в популяциях непарного шелкопряда на различных фазах вспышки массового размножения насекомого и различных уровнях дефолиации кормовых растений.

4. Изучить влияние дефолиации кормовых растений на основные показатели жизнеспособности насекомых.

5. Изучить влияние дефолиации кормового растения на состояние ферментных систем кишечника непарного шелкопряда, оказывающих влияние на резистентность насекомых к паразитам.

6. Исследовать содержание и динамику вторичных метаболитов в листве дефолиированных растений и их влияние на развитие насекомых.

7. Провести анализ эффективности вирусных препаратов против лесных насекомых и исследовать возможность создания новых энтомопатогенных биопрепаратов и стратегии их применения на основе вирусов и вторичных метаболитов растений.

Положения, которые выносятся на защиту:

1. Дефолиация кормовых растений и лесорастительные условия оказывают существенное влияние на развитие и сопряженную популяционную динамику непарного шелкопряда, шелкопряда-монашенки, рыжего соснового пилильщика и их паразитов - вирусов и паразитоидов.

2. Вид кормового растения и степень дефолиации его листвы оказывают влияние на чувствительность насекомых к вирусной инфекции.

3. Замедленная индуцированная резистентность, формирующаяся в ответ на дефолиацию березы повислой, сопровождается количественными изменениями состава вторичных метаболитов в листьях, вызывает изменения в гемограмме, активности ряда ферментных систем, ответственных за резистентность к патогенам и основных показателях жизнеспособности непарного шелкопряда.

4. Генетическая структура вируса ядерного полиэдроза и чувствительность непарного шелкопряда к вирусу связаны с фазами вспышки массового размножения этого насекомого и уровнем дефолиации растений.

5. Использование вирусных препаратов против лесных насекомых может быть более эффективным путем создания энтомопатогенных биопрепаратов на основе вирусов и аллелохемиков растений и новой стратегией их применения.

Научная новизна:

1. Впервые проведен комплексный анализ проблемы взаимоотношений в системе: «растение - насекомое - паразит» на примере лесных филлофагов и их паразитах.

2. Показано, что дефолиация кормовых растений и лесорастительные условия оказывают существенное влияние на сопряженную динамику насекомых и поражающих их паразитов.

3. Получены доказательства сопряженной изменчивости геномов ВЯП и чувствительности непарного шелкопряда к вирусу, обусловленной фазами вспышки массового размножения насекомого с различными показателями дефолиации кормовых растений. После достижения популяцией насекомых максимальной численности отмечается увеличение их чувствительности к вирусу и одновременно снижается гибридизационная активность штаммов ВЯП, что является следствием роста генетического полиморфизма вируса.

4. Впервые исследована реакция непарного шелкопряда на экспериментальную и естественную дефолиацию березы повислой, основного кормового растения насекомого в Западной Сибири. Установлено, что 75-100%-я дефолиация березы значительно отражается на основных показателях жизнеспособности шелкопряда: смертности в ювенильных фазах развития, плодовитости, соотношении полов и коэффициенте размножения.

5. Изучено состояние детоксицирующей и антиоксидантной систем средней кишки гусениц непарного шелкопряда, развивающихся на листьях интактных и поврежденных деревьев. Выявлены изменения в активности ряда ферментных систем в кишечнике насекомых при их развитии на листве поврежденных растений.

6. Показано, что дефолиация березы сопровождается количественными изменениями состава вторичных метаболитов, в первую очередь фенольных соединений в листьях.

7. Проведен анализ возможности использования закономерностей взаимоотношений в системе: «растение-насекомое-вирус» для управления численностью насекомых. Современная ситуация с использованием вирусных препаратов против лесных насекомых может быть радикально улучшена путем создания комплексных энтомопатогенных биопрепаратов на основе вирусов и аллелохемиков растений и разработки новой стратегии их применения.

1. Влияние кормовых растений на чувствительность насекомых к вирусной инфекции и ее развитие в организме хозяев

Многочисленными исследованиями показано, что чувствительность к патогенам и характер течения различных инфекционных процессов у насекомых зависит от функционального состояния их организма на которое существенное влияние оказывают качественные показатели корма. Развитие насекомых на предпочитаемых, непредпочитаемых или на поврежденных кормовых растениях может существенно влиять на смертность, плодовитость и резистентность насекомых, что отражается на течении различных инфекций, в том числе и вирусной природы.

В наших опытах по изучению влияния различного корма на чувствительность шелкопряда к ВЯП выявлено, что состав корма существенно изменяет показатели ЛК50 вируса для насекомых одной популяции (Бахвалов и др., 2002). Дальнейшими исследованиями было выявлено, что средний показатель lgЛК50 вируса для гусениц шелкопряда из четырех западносибирских популяций при выращивании их на листьях березы составил 5,37±0,09, на листьях ивы - 5,11± 0,08, а на хвое сосны- 4,89± 0,07 (P<0,05). Известно, что береза является предпочитаемым кормом для непарного шелкопряда в условиях Западной Сибири, ива - менее предпочитаемым, а сосна непредпочитаемым. Приведенные показатели lgЛК50 вируса свидетельствуют, что чувствительность насекомых к вирусу была наивысшей при выращивании гусениц на непредпочитаемом корме - хвое сосны, а наименьшей на предпочитаемом корме - листьях березы.

Изучение влияния вирусной инфекции на гемограмму и патоморфологические изменения в различных клетках гусениц непарного шелкопряда из популяции на различных фазах вспышки массового размножения выявило различия в динамике гемограммы, популяционной структуре гемоцитов и морфогенезе вируса в гемоцитах, вызванные вирусной инфекцией. Первые морфологические признаки вирусной инфекции после инфицирования ВЯП в организме большинства исследованных гусениц из растущих очагов с незначительными повреждениями деревьев регистрировали на 5-е сутки после перорального инфицирования. У незначительного количества исследованных особей (12,5%) в этот период выявили в отдельных гемоцитах виропласты и формирующиеся в них вирионы. Достоверных изменений в структуре гемограммы в этот период не отмечено, как по цитохимическим, так и по морфометрическим признакам. На 9-е сутки после инфицирования у 39 % гусениц регистрировали патологические изменения в гемоцитах, в клетках жирового тела и других органах с образованием виропласта, вирионов и полиэдров. Как правило, данные особи в последующие сутки погибали от полиэдроза. Остальные инфицированные насекомые выживали и завершали развитие с нормальной репродуктивной функцией, хотя у большинства в гемоцитах имелись признаки вирусной инфекции - конденсация хроматина в резко гипертрофированных ядрах, образование виропласта и репликация вирусов. При этом формирование типичных полиэдров в гемоцитах наблюдали редко, в основном отмечали аберрантные полиэдроподобные структуры или отдельные фрагменты полиэдров, содержащие единичные вирионы. Виропласт в гемоцитах большей частью состоял из кольцеобразных структур в отличие от глобулярных образований, характерных для типичного морфогенеза вирусов. Изменения в динамике гемограммы инфицированных гусениц также выявили на 9-е сутки после заражения. При этом изменения регистрировали, как при использовании морфометрических, так и цитохимических параметров. Как правило, с этого времени у контрольных гусениц из лабораторной популяции начиналось снижение количества гемоцитов с фенолоксидазной активностью (ФО-положительные гемоциты). Количество НСТ - положительных гемоцитов (клетки, в которых образуются активированные метаболиты кислорода) у контрольных гусениц практически оставалось неизменным в течение всего опыта, за исключением 11-х суток, когда было зарегистрировано резкое снижение этих клеток. У инфицированных гусениц выявили повышение содержания ФО-положительных и НСТ-положительных гемоцитов начиная с 9-х суток и до конца наблюдений (17-е сутки). Одновременно у больных особей регистрировали увеличение количества гранулоцитов на фоне снижения плазматоцитов, и подобное соотношение типов клеток сохранялось в последующие дни наблюдений. Достоверных отличий в изменении количества других типов клеток крови не отмечено, как и в общем количестве гемоцитов у контрольных и опытных гусениц в течение всего опыта. Следует отметить, что начиная с 9-х суток после инфицирования, в гемоцитах больных гусениц изменяется характер отложения формазана. В отличие от гемоцитов контрольных гусениц в гемолимфе больных гусениц полностью исчезают клетки с диффузной окраской цитоплазмы, характерной, как правило, для плазматоцитов, но увеличивается количество клеток с крупными гранулами формазана. На 17-е сутки практически все гемоциты несут гранулы формазана, хотя часть гемоцитов, в которых количество гранул не превышало десяти, мы относили к НСТ-отрицательным. Поскольку ранее нами было показано, что гусеницы из природной популяции, которая находится в фазе роста численности, характеризуется высокими показателями жизнеспособности, то можно полагать, что наблюдавшаяся картина патогенеза в гемоцитах характерна для насекомых с высокой жизнеспособностью. В то же время при инфицировании вирусом гусениц непарного шелкопряда, собранных в очаге массового размножения, достигшего максимальной плотности насекомых с высокими показателями дефолиации деревьев развитие патогенеза и популяционной структуры гемоцитов происходило иначе. Достоверное изменения в гемограмме большинства гусениц наблюдались уже на 4-е сутки после заражения вирусом, причем было зафиксировано резкое увеличение плазматоцитов и прогемоцитов на фоне снижения количества гранулоцитов. Активность фенолоксидазы в гемоцитах и ряда ферментных систем, способных продуцировать активированные метаболиты кислорода, может служить показателем метаболической активности клетки, в частности, продукции (О2-, Н2О2, ОН*, NO*, RO2* и т.д.). Образование подобных высокореакционных соединений в гемоцитах может определять функциональную значимость последних в цитотоксических реакциях при гранулообразовании и инкапсуляции, т.е., служить параметрическими признаками напряжённости клеточного иммунитета насекомых.

Исследования по влиянию качества корма на динамику морфогенеза ВЯП и патологических изменений в клетках жирового тела, а также на формирование цист («поликариоцитов») в гемолимфе гусениц непарного шелкопряда не выявили различий по этим параметрам в клетках гусениц, выращиваемых на листьях интактных и двукратно дефолиированных на 75% деревьев. Описанные выше изменения в морфологии клеток и образование в них вирусных структур были сходными в клетках обеих групп гусениц. Исключение составляла только выраженность вирусной инфекции. В хорошо развитом жировом теле гусениц, развивавшихся на листьях интактных деревьев количество инфицированных клеток, с выраженным морфогенезом вируса и патологическими изменениями клеточных структур, было выше в первые 9 суток после инфицирования, по сравнению с жировым телом гусениц, выращиваемых на листве поврежденных деревьев. Только через 15 суток эти показатели сравнялись в гусениц обеих групп. Количество «поликариоцитов» в гемолимфе гусениц контрольной и опытной групп не достигало различий в течение срока наблюдений, однако тенденция к большему количеству этих образований у гусениц, выращиваемых на листве интактных деревьев, наблюдалась на 6-е и 9-е сутки опыта. Через 15 суток в группе насекомых, выращиваемых на листве интактных деревьев, погибли 77,3% особей, а в группе, развивающихся на листве поврежденных деревьев - 67,9% (P<0,05). Только через 17 дней после инфицирования количество погибших насекомых опытной группы достигло показателей контрольной группы.

Таким образом, можно констатировать, что у большинства инфицированных ВЯП гусениц непарного шелкопряда из растущих очагов массового размножения и очагов, достигших максимальной численности насекомых, соответственно, с низкими и высокими показателями дефолиации деревьев наблюдаются различия в динамике гемограммы, морфогенезе вируса в гемоцитах и популяционной структуре гемоцитов.

2. Влияние лесорастительных условий и поврежденности листвы кормовых растений на развитие и сопряженную популяционную динамику насекомых и их паразитов - вирусов и паразитоидов

Развитие и сопряженная популяционная динамика шелкопряда - монашенки с поражающим его бакуловирусом исследовалась в двух участках леса с различными биотопическими условиями. Основное различие между исследуемыми участками лесонасаждений с различными биотопическими условиями, где обитали насекомые, заключалось в условиях произрастания кормового растения. В участках с пессимальными условиями они были неблагоприятными (класс бонитета - 3), а с оптимальными - благоприятными (класс бонитета -1). Исследовали шесть параметров системы: «растение - фитофаг - патоген»: плотность яйцекладок шелкопряда в насаждениях, их жизнеспособность, плотность гусениц 4-6-го возраста, смертность насекомых от спонтанной вирусной инфекции, чувствительность гусениц к инфицированию ВЯП (ЛК50 вируса) и структуру изреженности крон кормового растения насекомого-сосны Pinus sylvestris L. Результаты исследований показали, что пораженность шелкопряда-монашенки спонтанной вирусной инфекцией существенно варьирует от практически единичных случаев в фазе роста численности популяции до массовых заболеваний и гибели насекомых, в фазе собственно вспышки и, особенно, в фазе деградации. При этом абсолютные показатели смертности насекомых от вирусной инфекции для участков с оптимальными и пессимальными лесорастительными условиями значительно отличаются. Различаются также показатели плотности яйцекладок шелкопряда в этих участках в период вспышки массового размножения. В насаждениях с пессимальными лесорастительными условиями плотность яйцекладок была достоверно выше во всех фазах вспышки массового размножения (для P=0,05, tф=2,2 > tТ=1,96) кроме последнего года фазы деградации. Однако плотность гусениц старших возрастов в фазе роста численности в обоих типах участков не имела достоверных различий (для P=0,05, tф=1,2 < tТ=1,96 и tф=1,09 < tТ =1,96). В то же время плотность гусениц старших возрастов для участков с контрастными лесорастительными условиями в фазах собственно вспышки и деградации различались более, чем 10 раз. Поскольку средние показатели жизнеспособности яиц в анализируемых участках в соответствующие периоды вспышки не имели достоверных отличий - 93,20,3 и 92,70,2 соответственно (P>0,05). Полученные нами данные по динамики численности шелкопряда-монашенки можно объяснить более высокой смертностью гусениц младших возрастов в насаждениях с оптимальными лесорастительными условиями по сравнению с пессимальными. В конце фазы роста и в фазе собственно вспышки популяции шелкопряда-монашенки, то есть в периоды нанесения популяцией фитофага основных повреждений древостоям, средневзвешенный показатель изреженности крон составил для участков с оптимальными биотопическими условиями 18,2, а с пессимальными - 41,3 ( p< 0,01).

Таким образом, динамика численности шелкопряда-монашенки и, соответственно, уровень пораженности насекомых вирусной инфекцией связаны с биотопическими условиями среды обитания. В стационарной фазе численности и фазе роста пораженность насекомого бакуловирусной инфекцией имеет наиболее низкий уровень в течение всего популяционного цикла. При этом в фазе роста численности гибель шелкопряда от вирусной инфекции в наблюдаемых биотопах не имела достоверных отличий (tф=1,38 < tТ=1,96 в 1980 г. и tф= 0,5 < tТ=1,96). В этот же период отмечается и наиболее низкая чувствительность шелкопряда к экспериментальному инфицированию вирусом, которая достоверно не отличается для особей из контрастных биотопов. По мере роста плотности популяции возрастает чувствительность особей к экзогенному инфицированию вирусом. После достижения популяцией максимальной плотности, то есть при переходе популяции в фазу собственно вспышки, смертность насекомых в насаждениях от спонтанной вирусной инфекции начинает резко возрастать. Причем амплитуда показателей уровня спонтанной вирусной инфекции в исследуемый период выражена значительно меньше для насекомых из участков с оптимальными биотопическими условиями. При низких значениях плотности насекомых в фазе деградации смертность гусениц и куколок от вирусной инфекции может существенно повлиять на численность шелкопряда в оптимальных биотопах. Так, смертность насекомых от ВЯП в насаждениях с оптимальными лесорастительными условиями в фазе деградации была максимальной за весь период наблюдений. Вероятно, это связано с известной инерционностью действия бакуловирусной инфекции как фактора популяционной динамики насекомого. Максимум гибели насекомых от вирусной инфекции в насаждениях с пессимальными лесорастительными условиями отмечен в начале фазы разрежения, т. е. раньше на 1 год по сравнению с насаждениями с оптимальными растительными условиями. В стационарной фазе численности гибель насекомых от вирусной инфекции была минимальной в обоих биотопических участках. Исходя из этого, можно утверждать, что вирусная инфекция не оказывает выраженного влияния на динамику численности шелкопряда-монашенки на низких уровнях численности. Это подтверждает широко известные данные других авторов.

Полученные результаты показывают наличие тесной взаимосвязи между динамикой численности шелкопряда-монашенки и его пораженностью вирусом ядерного полиэдроза. Поскольку численность насекомого тесно коррелирует с дефолиацией кормовых растений, то можно предположить, что уровень дефолиации растения опосредованно через филлофага влияет на пораженность насекомых вирусной инфекцией. В фазе роста численности насекомых, когда повреждения растений незначителные, жизнеспособность особей была максимальной, а уровень пораженности их спонтанной вирусной инфекцией и чувствительность к инфицированию экзогенным вирусом -минимальными. В фазе собственно вспышки, при высоких показателях изреженности крон деревьев жизнеспособность популяции фитофага стремительно ухудшается: возрастает смертность, падает плодовитость, увеличивается общая чувствительность к стресс-факторам, в том числе и к вирусной инфекции. В фазе деградации, после максимальных повреждений растений в течение нескольких лет ухудшение показателей жизнеспособности достигает максимальных значений, и в результате регистрируется прямо противоположная картина того, что наблюдалось в фазе роста. В этот период, по-видимому, латентная вирусная инфекция переходит в активную форму и вызывает массовые заболевания, после чего в популяции остаются только устойчивые особи, и затем цикл повторяется. Сходные результаты получены рядом авторов для других видов насекомых и поражающих их вирусов. Поскольку количество корма и и условия его потребления в исследуемых нами биотопах были сходными, можно предположить, что различия в динамике, жизнеспособности особей и их чувствительности к вирусу обусловлены качеством корма. В наших исследованиях численность монашенки не достигала пиковых значений в оптимальных биотопах, где защитные свойства хвои, вероятно, были выше. Выжившие в младших возрастах гусеницы наряду с устойчивостью к токсическому действию корма, по-видимому, обладали и повышенной устойчивостью к вирусному патогену. В то же время в пессимальных биотопах, где защитные свойства древостоев, по-видимому, ниже, наблюдалась и более низкая гибель гусениц в младших возрастах, а в старших возрастах в популяции преобладали особи с пониженной жизнеспособностью и повышенной чувствительностью к вирусному патогену.Сходные данные получены нами при исследовании сопряженной динамики непарного шелкопряда и поражающего его вируса ядерного полиэдроза. Эти исследования также показали, что амплитуда флуктуаций плотности непарного шелкопряда и продолжительность вспышек его массового размножения различаются в лесонасаждениях с различным уровнем продуктивности, т. е. с пессимальными и оптимальными лесорастительными условиями. Изучаемые показатели динамики популяции непарного шелкопряда близки аналогичным показателям для монашенки (рис. 1). В то время, как численность насекомых в низкопродуктивных насаждениях в период вспышки массового размножения достигала величин, способных неоднократно уничтожить кормовой ресурс, численность насекомых в высокопродуктивных древостоях, как правило, могла привести к уничтожению не более, чем 50 % кормового ресурса.

Массовое появление насекомых в высокопродуктивных насаждениях также продолжалось более короткий отрезок времени и, как следствие, здесь были значительно меньше повреждены листва и хвоя. Средневзвешенный показатель изреженности крон высокопродуктивных березовых насаждений, заселенных непарным шелкопрядом в период вспышки, составил 31,4 балла, а в низкопродуктивных 47,5 баллов (P<0,05). Смертность, вызванная вирусом ядерного полиэдроза в ювенильных фазах развития непарного шелкопряда в период вспышки, в высокопродуктивных древостоях, как и у шелкопряда-монашенки была существенно ниже, чем в низкопродуктивных. В результате в популяции происходило накопление особей с пониженной жизнеспособностью, более восприимчивых к патогенам. Такие особи, как правило, погибают на стадии гусениц старших возрастов и куколок от вирусной и других инфекций. Они успевают до гибели нанести существенные повреждения древостоям, поскольку питаются почти до момента своей гибели. Поэтому динамика численности гусениц старших возрастов в период вспышки массового размножения в насаждениях с различными лесорастительными условиями существенно отличается.

Важную роль лесорастительных условий в реализации энтоморезистентности древостоев подтвердили также результаты наших опытов по созданию искусственных очагов массового размножения насекомых в высокопродуктивных насаждениях Основным фактором, из-за которого не развивались очаги массового размножения насекомых, был высокий уровень энтоморезистности древостоев. Основная часть популяции насекомых в этих насаждениях погибла в младших возрастах гусениц, когда патогены и паразитоиды практически не оказывают влияния на численность насекомых, а гибель происходила, в основном, из-за неблагопрятных условий питания, обусловленных резистентностью древостоев. Характерно, что коэффициент размножения насекомых в искусственных очагах в трех случаях из пяти в год внесения яиц в насаждения был выше единицы, что свидетельствовало о росте плотности популяции. Однако коэффициент размножения последующих генераций в этих очагах резко снизился, и они прекратили существование. Во всех пяти искусственных очагах в год начала эксперимента не отмечалось заметной дефолиации древостоев.

Мы проводили исследования по выявлению влияния лесорастительных условий в которых находились древостои на пораженность непарного шелкопряда и рыжего соснового пилильщика наряду с вирусной, другими инфекциями, а также паразитоидами. Исследования в популяциях насекомых проводились в насаждениях различной продуктивности, различного уровня дефолиации крон и сроков ее осуществления.

Все показатели жизнеспособности шелкопряда в очаге массового размножения в следующем году, после двухлетней сплошной дефолиации, существенно отличались от аналогичных показателей популяции насекомых в контрольных насаждениях. Эти показатели свидетельствовали, что насекомые изпопуляции в насаждениях через год после двукратной сплошной дефолиации значительно менее жизнеспособны по сравнению с насекомыми из контрольных насаждений. Свидетельством этого является уровень пораженности гусениц и куколок паразитоидами: наездниками, мухами- тахинами и саркофагидами, а также вирусной инфекцией. В контрольных насаждениях паразитоидами было поражено 34,2 ± 2,2% особей, а в насаждениях, где наблюдались сплошные повреждения, - 45,2 ± 4,3%, (P<0,05). Вирусной инфекцией были поражены 9,0 ± 0,9% и 17,2 ± 2,9% особей, соответственно (P<0,01). В то же время, пораженность насекомых грибными инфекциями в поврежденных и интактных древостоях достоверно не отличалась (P> 0,05). В следующем сезоне, т. е. через два года после двухлетней сплошной дефолиации насаждений шелкопрядом в них продолжался резкий спад численности насекомых с выраженным изменением показателей жизнеспособности популяции фитофага. Резко увеличилась гибель гусениц и куколок в т. ч. от различных инфекций и паразитоидов. Смертность в преимагинальных фазах, обусловленная неясной этиологией, была очень высокой и составила 26,3 1,9%. Абсолютное большинство насекомых с этой этиологией смертности погибли в первых двух гусеничных возрастах. Паразитоиды были причиной гибели большинства насекомых в старших возрастах гусениц и куколках - 43,6 2,2%, в то время как моно- и полиинфекции вызвали гибель 14,2 2,4% особей, причем вирусная инфекция была причиной гибели 10,8 1,9% гусениц и куколок, а микозы - 1,8 0,35%. Остальные насекомые погибли от протозойных и бактериальных инфекций. Таким образом, падение численности популяции непарного шелкопряда в сильно повреждавшихся насаждениях была вызвана ростом пораженности насекомых паразитоидами, резким увеличением смертности в младших возрастах и распространением инфекций, среди которых ведущую роль играл ядерный полиэдроз. Гибель насекомых с различной этиологией происходила на фоне низкой жизнеспособности популяции вследствие чего и наблюдалась высокая смертность в ювенильных возрастах.

В другом очаге массового размножения шелкопряда в лесонасаждениях на территории Чановского района мы провели оценку важнейших показателей жизнеспособности гусениц непарного шелкопряда и популяционной структуры их гемоцитов при различном уровне дефолиации березовых насаждений. Оценка популяционной структуры гемоцитов использовалась как высокочувствительный тест, отражающий функциональное состояние организма насекомого. Однократная искусственная 50%-я дефолиация березы не вызывала увеличения смертности, уменьшения плодовитости или изменения полового индекса у непарного шелкопряда, развивающегося на деревьях, поврежденных в минувшем вегетационном сезоне. В то же время однократная искусственная 75%-я дефолиация березы приводила в следующем сезоне к увеличению смертности в ювенильных фазах развития насекомого и смещению соотношения полов в пользу самцов. При этом плодовитость шелкопряда не изменялась. В случае естественной (объедание шелкопрядом) 75%-й дефолиации березы смертность в ювенильных фазах развития в следующем сезоне возрастала еще больше, увеличивалось количество самцов в популяции и, кроме того, уменьшалась плодовитость насекомых дочерней генерации. Мы предположили, что такие изменения показателей физиологического состояния насекомого обусловлены, вероятней всего, замедленной (выявляемой в следующем после дефолиации сезоне) индуцированной резистентностью березы возникшей после 75%-й дефолиации деревьев (Бахвалов и др., 2002). В экспериментах, проводившихся в этом очаге массового размножения с насекомыми, выращиваемыми на листве искусственно дефолиированных деревьев, мы не выявили достоверных изменений показателей жизнеспособности и гемограммы у непарного шелкопряда в сезон нанесения 50%-х и 75%-х искусственных повреждений. У свободноживущих гусениц, в очаге массового размножения после естественного однократного 75%-го объедания деревьев выявлены изменения в содержании плазматоцитов и гранулоцитов по сравнению с контролем. Однако показатели жизнеспособности этих насекомых оставались на уровне контроля. Эти данные свидетельствовали об отсутствии быстрой индуцированной резистентности растений к насекомым после однократного искусственного 50%-го и 75%-го повреждения деревьев и ее низком уровне при 75%-ом естественном повреждении. После двукратной 50%-й искусственной дефолиации увеличилась смертность насекомых и количество самцов, но плодовитость не изменилась (табл. 3). Аналогичные естественные повреждения древостоев насекомыми вызвали рост паразитизма, уменьшение плодовитости и увеличение количества самцов в популяции. Двукратная 75%-я искусственная и естественная дефолиация березы существенно уменьшали плодовитость насекомых, увеличивали общую смертность и количество самцов шелкопряда, причем смертность при искусственной дефолиации возрастала значительно меньше, чем при естественной. Среди насекомых в очаге массового размножения после двукратной 75%-й дефолиации деревьев резко увеличивалась смертность от паразитоидов и различных инфекций. Эти результаты показали, что только двукратная 50%-я и 75% -я дефолиации индуцируют у деревьев повышение резистентности по отношению к шелкопряду, причем ее выраженность существенно выше у растений, поврежденных на 75%. Доля прогемоцитов, эноцитоидов и сферулоцитов в гемолимфе насекомых не менялась при одно- и двукратной 50% и 75%-й искусственной дефолиации, хотя тенденция к росту удельного веса прогемоцитов и эноцитоидов прослеживается. Среди насекомых в очаге по мере возрастания уровня дефолиации обнаруживается неуклонная тенденция к увеличению доли прогемоцитов, которая при двукратной 75%-й дефолиации достигает достоверных отличий (p<0,01) в сравнение с контролем. При этомуровне дефолиации наблюдается также увеличение доли сферулоцитов и эноцитоидов, не достигающее, однако, достоверных отличий от гемограммы гусениц из интактных насаждений. Выраженность различий всех исследованных показателей жизнеспособности непарного шелкопряда, развивающегося на интактных и поврежденных растениях, была выше в насаждениях, где происходило естественное объедание древостоев насекомыми.

Если исходить из той роли, которая отводится большинством исследователей различным популяциям гемоцитов насекомых, можно констатировать, что однократная 75%-я естественная, двукратные искусственная и естественная 50% и 75%-я дефолиации березы вызывает у непарного шелкопряда значимые изменения в составе иммунокомпетентных клеток гемолимфы - удельный вес плазматоцитов и прогемоцитов возрастает, а гранулоцитов - падает. Известно, что прогемоциты являются полипотентными клетками лимфы насекомых, их сравнивают со стволовыми клетками позвоночных, из которых в процессе дифференциации образуются остальные клетки гемолимфы. Повышение удельного веса плазматоцитов происходит, главным образом, за счет снижения доли гранулоцитов, которым принадлежит важная роль в жировом обмене организма насекомого. Известно, что клетки гемолимфы и жирового тела по природе, происхождению и функциям очень близки, и поэтому жировое тело насекомых и гемолимфу часто рассматривают как единую систему тканей внутренней среды. В связи с этим можно предположить, что изменения популяционной структуры гемоцитов и, в частности, снижение относительного количества гранулоцитов в гемолимфе отрицательно отражается на плодовитости насекомых, поскольку она является функцией веса куколок, а их вес зависит от массы жирового тела, биохимически тесно связанного с клетками гемолимфы. Кроме того, у гусениц, развивающихся на деревьях, двукратно объеденных шелкопрядом на 75%, увеличивается количество прогемоцитов. Поскольку прогемоциты считаются родоначальными клетками гемолимфы насекомых, то можно полагать, что двукратная 75%-я дефолиация кормового растения вызывает в нем реакцию, которая является для насекомого-филлофага мощным стрессом, вызывающим весьма существенные изменения в популяционной структуре гемоцитов.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что двукратная 50%-я и 75%-я, дефолиация березы повислой индуцирует изменение в физиологическом состоянии насекомых, которое отражается в снижении плодовитости, увеличении количества самцов, повышении смертности в ювенильных возрастах и активизацию у насекомых пролиферативных процессов в гемолимфе. При однократном 75%-м объедании деревьев шелкопрядом у гусениц выявляются только изменения в количестве плазматоцитов и гранулоцитов.

В естественных условиях двукратная 50%-я и 75%-я дефолиация березы непарным шелкопрядом наблюдается обычно в конце эруптивной фазы вспышки насекомого, после которого начинается резкое падение ее размеров и, соответственно, деградация очагов массового размножения. Поэтому можно предположить, что индуцированная дефолиацией резистентность древостоев является одним из факторов, регулирующих численность непарного шелкопряда.

Мы провели сравнительное исследование реакции шелкопряда из двух очагов массового размножения, находящихся в лесонасаждениях на территории Татарского и Чановского районов Новосибирской области на индуцированную резистентность деревьев и инфицирование ВЯП. Очаги насекомого в период проведения исследований находились в эруптивной фазе вспышки с близкими показателями дефолиации древостоев.

Выявлено, что развитие инфицированных вирусом и интактных насекомых из очага в Татарском районе на листве искусственно дефолиированных на 100% в предыдущем году деревьев, приводит к снижению массы гусениц и куколок самок, по сравнению контролем. При изучении причин смертности насекомых в исследуемых группах установлено, что при питании неинфицированных гусениц листьями поврежденных деревьев двукратно увеличивается количество особей, погибших от различных инфекций (грибы, бактерии, простейшие) и других факторов, кроме вирусной инфекции, по сравнению с контролем (P<0,01). В то же время смертность инфицированных насекомых от вирусной инфекции при выращивании их на листве поврежденных деревьев не имела достоверных отличий от смертности насекомых от этой инфекции при выращивании их на листве контрольных деревьев (P>0,05). Таким образом, подтверждено наличие замедленной индуцированной резистентности у поврежденных деревьев по отношению к непарному шелкопряду, реакцией на которую является снижении массы гусениц и куколок, а также увеличение гибели насекомых от инфекционных заболеваний (кроме вирусной инфекции) и факторов неинфекционной природы. Увеличение количества насекомых, погибших от спонтанных инфекций (за исключением вирусной инфекции) и других факторов при питании листвой поврежденного растения, вероятно, связано с ослаблением иммунитета насекомых. В то же время, индуцированная энтоморезистентность растения не ослабляет или даже активирует иммунитет насекомого против ВЯП. Наиболее вероятным объяснением этого феномена является то, что снижение массы гусениц и куколок происходит, в основном, за счет резкого уменьшения массы жирового тела где, как известно, реплицируется большая часть урожая вируса. Поэтому гибель гусениц от вирусной инфекции в младших возрастах, когда жировые запасы, практически отсутствуют, наблюдается весьма редко. В то же время, как мы писали выше, в очагах массового размножения непарного шелкопряда, находящихся в эруптивной фазе вспышки с высоким уровнем дефолиации древостоев, как правило, наблюдается резкое увеличение гибели гусениц и куколок от полиэдроза. Это объясняется очень низкой жизнеспособностью насекомых и, соответственно, весьма слабым иммунитетом против скрытой (эндогенной) инфекции, вследствие которой происходят массовые заболевания насекомых. В проводившихся нами экспериментах инфицирование гусениц шелкопряда осуществлялось перорально экзогенным вирусом, т. е. вирусом, находящимся вне организма насекомого - хозяина. Вероятно, в кишечнике происходит частичная или полная инактивация вируса ферментными системами, активировавшимися под действием защитных метаболитов из дефолиированных растений.

Исследование реакции непарного шелкопряда из очага, действовавшего в лесонасаждениях на территории Чановского р-на, на индуцированную резистентность деревьев и инфицирование ВЯП в целом подтвердило результаты вышеописанного опыта. Масса гусениц, развивавшихся на листьях деревьев, дефолиированных в предыдущем году, на 13 сутки после начала питания была достоверно ниже массы гусениц, развивавшихся на листве интактных деревьев (p<0,05). Развитие насекомых на листьях деревьев, полностью дефолированных в предыдущем году, приводило также к существенному снижению массы гусениц, но статистически достоверные отличия по сравнению с контролем наблюдались только на 16 - 25 сутки питания на опытных растениях. Инфицирование насекомых вирусом в данном эксперименте не оказывало влияния на массу гусениц, развивающихся на листве дефолированных на 75% деревьев, однако приводило к достоверному снижению массы насекомых, питающихся листвой полностью дефолиированных деревьев. Суммарная смертность инфицированных ВЯП гусениц, развивающихся на листве полностью дефолиированных деревьев, увеличилась в два раза по сравнению с контрольными насекомыми. Однако аналогичный показатель для инфицированных ВЯП гусениц, развивавшихся на листве дефолиированных на 75% деревьев, не имел достоверных отличий от контроля. В то же время при выращивании интактных гусениц на листве тотально дефолиированных деревьев их суммарная смертность более, чем в 2,5 раза, превышала смертность в контроле. В отличие от предыдущего опыта с насекомыми из очага в Татарском р-не, смертность от полиэдроза инфицированных ВЯП насекомых из очага в Чановском р-не увеличивалась независимо от уровня дефолиации березы. Вероятно, жизнеспособность насекомых из этого очага массового размножения была ниже, чем из предыдущего очага. Количество насекомых, погибших от неинфекционных причин, наоборот, достоверно снижалось при инфицировании гусениц ВЯП, по сравнению с соответствующими неинфицированными вариантами, за исключением варианта 100%-ой дефолиации, в котором отмечалась только тенденция такого снижения.

Поскольку в описанных выше опытах из двух очагов размножения шелкопряда с идентичными характеристиками были получены различные результаты по смертности насекомых от полиэдроза, мы с целью выяснения причины этих различий провели изучение популяционной структуры ВЯП непарного шелкопряда по вирулентности и репродуктивной активности в насекомых, выращиваемых на листве дефолиированных деревьев.

Установлено, что lgЛК50 вируса ядерного полиэдроза для насекомых, выращиваемых на листве полностью дефолиированных в минувшем году деревьях ниже, чем для насекомых, выращиваемых на листве контрольных деревьев - 6,18±0,08 и 6,51±0,09 соответственно (P<0,01). Это свидетельствует, что чувствительность гусениц непарного шелкопряда к вирусу при развитии на листьях поврежденных деревьев выше, чем при развитии на листьях неповрежденных деревьев. Этот вывод согласуется с данными, полученными для насекомых из очага в Чановском р-не. Однако при изучении этиологии гибели насекомых в опытах оказалось, что при значительно большей общей гибели инфицированных гусениц, выращиваемых на листьях поврежденных деревьев количество погибших среди них от вирусной моноинфекции существенно ниже, чем среди выращиваемых инфицированных гусениц на листве интактных деревьев.

Поэтому, если проводить анализ чувствительности насекомых к вирусу с учетом этого обстоятельства, то lgЛК50 вируса для насекомых, выращиваемых на листве тотально дефолиированных деревьев, оказывается выше, чем для насекомых, выращиваемых на листве интактных деревьев - 6,88±0,09 и 6,51±0,09 соответственно (рис. 2). Следовательно, чувствительность насекомых, развивающихся на листве поврежденных деревьев, к вирусу ниже по сравнению с насекомыми, развивающимися на листве контрольных деревьев. Объясняется это тем, что гусеницы, развивающиеся на листьях поврежденных деревьев, менее жизнеспособны по сравнению с насекомыми, развивающимися на листьях интактных деревьев. Это подтверждают и результаты наших предыдущих исследований по влиянию дефолиации на жизнеспособность насекомых. Вследствие этого среди них наблюдается значительно более высокая гибель от неспецифических причин, в том числе и от смешанных инфекций, где полиэдроз не является основной причиной гибели. Микроскопические исследования погибших насекомых выявили, что среди насекомых, выращиваемых на листве поврежденных деревьев, значительно меньше особей, погибших в результате вирусной моноинфекции. Если среди инфицированных ВЯП особей, выращиваемых на листве интактных деревьев, количество погибших от вирусной моноинфекции составило 89,9% то среди особей опытной группы - 34,5%. Остальные гусеницы опытных групп погибли от других причин, в том числе и от смешанных инфекции, где полиэдроз не был основной причиной гибели. Поэтому, исходя из наших данных, полученных ранее, и из обсуждаемых результатов данного опыта, можно утверждать, что замедленная индуцированная резистентность деревьев подавляет жизнеспособность насекомых, но при этом увеличивает их резистентность к ВЯП. Об этом свидетельствует и урожай вируса, полученный на гусеницах опытной и контрольной групп при инфицировании их вирусом в 3-ем возрасте. Количество полиэдров в пересчете на 1 гусеницу, погибшую от вирусной инфекции, для насекомых, выращиваемых на листве дефолиированных деревьев, составило 0,83 х 109 ± 0,79 х 108, в то время как аналогичный показатель для насекомых контрольной группы был 1,49 х 109 ± 1,39 х 108полиэдров (P<0,05). Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что в популяции ВЯП после инфицирования насекомых, выращиваемых на листьях дефолиированных деревьев, наблюдаются изменения вирулентности и репродуктивной активности вируса, оцениваемой по урожайности. Вероятно, эти изменения объясняются падением жизнеспособности насекомых и, как следствие изменением чувствительности к вирусу и другим патогенам, а также абиотическим факторам внешней среды.

В 10-летних сосновых культурах на территории Волгоградской обл., подвергшихся в двух предыдущих сезонах сильной и сплошной дефолиации рыжим сосновым пилильщиком, также произошло снижение численности насекомого и изменение показателей жизнеспособности, свидетельствующих о деградации очагов массового размножения. В очагах происходили спонтанные массовые вирусные заболевания с гибелью более половины личинок (51,2 2,2 %). Изреженность крон составила 17,1 2,4%. Гибель коконов насекомого от паразитоидов и хищников достигла 44,7 3,5 %. Пораженность насекомых грибной инфекцией составила 1,3 0,3 % и не имела достоверных отличий от аналогичного показателя для насекомых из контрольных насаждений. Коэффициент размножения равнялся 0,52, а в контрольных насаждениях - 1,8 (P<0,001). Таким образом, основным фактором деградации численности рыжего соснового пилильщика была вирусная инфекция и действие паразитоидов и хищников, вызвавших гибель почти половины коконов насекомого. Микоз, как и в популяциях непарного шелкопряда, значимого влияния на численность насекомого не имел. В этом очаге паразитоиды и хищники оказали большое влияние на гибель насекомых, развивающихся в поврежденных насаждениях.

3. Изменчивость генетической структуры ВЯП в популяциях непарного шелкопряда на различных фазах вспышки массового размножения и уровнях поврежденности кормовых растений

Нами была проведена сравнительная оценка различных механизмов персистенции вируса в организме гусениц непарного шелкопряда и условия ее перехода в острое заболевание в природных популяциях насекомого. Показатели “венгеровской, татарской и чановской“ популяций близки по величине и типичны для непарного шелкопряда в эруптивной фазе вспышки массового размножения в березняках Западной Сибири. В то же время показатели дефолиации насаждений, заселенности, общей смертности и коэффициента размножения насекомых “кыштовской” популяции существенно отличались от аналогичных показателей других популяций. В первую очередь это относится к уровню общей смертности в ювенильных фазах, последствия которой нашли отражение и в коэффициенте размножения. Смертность насекомых ювенильных фаз развития в этой популяции была значительно выше смертности в других популяциях. Отличалась и этиология их гибели. Практически все насекомые кыштовской популяции погибли от полиэдроза, в то время как у насекомых других популяций спонтанный полиэдроз был причиной гибели лишь небольшой части особей. Вероятно, здесь решающую роль сыграл высокий уровень дефолиации кормовых растений, способствующий максимальной активации скрытой вирусной инфекции. Для всех популяций, за исключением кыштовской, характерна высокая частота обнаружения вирусной ДНК по сравнению с частотой искусственной или спонтанной активации персистирующего вируса. При этом уровень смертности насекомых от индуцированного полиэдроза, вызванного искусственной активацией вирусной репродукции, для «венгеровской», «татарской» и «чановской» популяций не отличался (Р > 0,05) от частоты обнаружения антигенов вирионов и полиэдров. В то же время смертность от спонтанного полиэдроза была здесь существенно ниже (Р<0,05), чем частота обнаружения вирусных антигенов. Это обстоятельство позволяет предполагать, что в организме насекомых этих популяций, где обнаруживались вирусные антигены, вирус персистировал в форме вирионов и полиэдров. Вероятно, персистентная инфекция с образованием вирионов и полиэдров легко переходит в острое заболевание при воздействии на насекомых факторов, снижающих их резистентность. В случае с индуцированным полиэдрозом таким фактором была добавка в корм соли железа (FeSO4). Поэтому при мониторинге популяций непарного шелкопряда частота выявления антигенов вирионов и полиэдров может служить критерием прогноза смертности от полиэдроза в случае воздействия на популяцию экстремальных экологических факторов, одним из которых является качество кормового ресурса. Обращает внимание высокая частота выявления вирусной ДНК, белка вирионов и полиэдров у насекомых «кыштовской» популяции, а, также, их массовая гибель как от индуцированной, так и от спонтанной вирусной инфекции. Поскольку в других популяциях дефолиация кормовой породы в год исследований было значительно ниже, чем в «кыштовской», уровень активации латентной инфекции у них оказались существенно ниже. Известно, что сильные повреждения кормового растения способствуют снижению резистентности филлофагов и активации у них вирусной репродукции за счет увеличения у растений количества защитных веществ и снижения питательной ценности корма. Несмотря на то, что у значительной части гусениц из “венгеровской, татарской и чановской” популяций была обнаружена вирусная ДНК, даже искусственная активация вирусной репродукции не позволила вызвать острое заболеваание у такого же количества гусениц. Что же касается спонтанного полиэдроза в этих популяциях, то его показатели в 4 - 8 раз ниже, по сравнению с количеством гусениц, содержащих вирусную ДНК. Таким образом, сравнительно высокий уровень вирусоносительства во всех популяциях, кроме “кыштовской”, при отсутствии воздействия на насекомых неблагопрятных кормовых условий, не сопровождался соответствующей смертностью от спонтанного полиэдроза.