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

В насекомых названных популяций непарного шелкопряда было также проведено изучение взаимосвязи популяционной динамики насекомого и генетического изучение взаимосвязи популяционной динамики насекомого и генетического полиморфизма вируса ядерного полиэдроза. Во всех исследованных популяциях, в которых отбирались образцы материала для изучения вирусного полиморфизма, мы наблюдали характерную для вспышки массового размножения картину популяционной динамики насекомого. Размер каждой из популяций в той или иной фазе вспышки зависел от ряда факторов: таксационных показателей древостоев, погодных условий, особенностей ландшафта и др. Однако у всех популяций отмечен сходный характер динамики численности: 1) фаза роста численности - быстрый рост в течение 2 - 3 лет (коэффициент размножения >> 1, средний вес куколок - самок не менее 0,8 г, смертность в ювенильных фазах не более 40%), 2) эруптивная фаза численности - максимальная численность в течение 1 - 2 лет (коэффициент размножения не более 1,12, средний вес куколок - самок не более 0,6 г, смертность в ювенильных фазах до 70%) и 3) фаза деградации - резкое падение численности в течение 1 -2 лет (коэффициент размножения << 1, средний вес куколок-самок не более 0,4 г, смертность в ювенильных фазах не менее 90%). Вспышки массового размножения и рост численности насекомого в насаждениях сопровождались увеличением количества пораженных вирусной инфекцией гусениц и куколок, достигающим максимума в фазе кризиса. По сравнению с фазой роста численности количество погибших насекомых с вирусной этиологией в фазе кризиса увеличивалось более, чем в 30 раз. Возможно, что такой рост смертности шелкопряда от вирусной инфекции обусловлен снижением его резистентности, вследствие чего возрастает интенсивность активации латентной вирусной инфекции. Подтверждением того, что с развитием вспышки резистентность непарного шелкопряда к ВЯП снижается служат результаты опытов по определению чувствительности непарного шелкопряда к экспериментальному заражению ВЯП в различные фазы популяционного цикла. Исследования показали, что концентрация вируса, вызывающая гибель 50% зараженных гусениц (ЛК50), была различной и зависела от фазы популяционного цикла. Для гусениц из растущих популяций характерна наиболее высокая ЛК50 (lgЛК50 7,4 ± 0,58), из деградирующих очагов - наиболее низкая (lg ЛК50 5,0 ± 0,41; P< 0,01), т.е. чувствительность шелкопряда к ВЯП в период роста численности была минимальной, в период кризиса - максимальной. В то же время чувствительность шелкопряда к инфекции в фазе депрессии была меньше, чем в фазе кризиса, но выше, чем в двух других фазах вспышки массового размножения.

Образцы ДНК изолятов вируса непарного шелкопряда, выделенные из насекомых, собранных в названных популяциях в различные фазы вспышки, заметно различались по способности к гибридизации с разными олигонуклеотидами. Наиболее высокая гибридизационная активность вирусных ДНК наблюдалась по отношению к зонду Р4, соответствующему высококонсервативному гомологичному району генома вируса - в реакцию вступали 88,8 ± 3.9 % проб. Судя по результатам реакции, этот участок генома вируса присутствует у абсолютного большинства исследованных изолятов. Достоверно ниже (p < 0.001) был удельный вес изолятов, гибридизующихся с зондом Р3 (63,2 ± 5.9 %), комплементарным консервативной области гена ДНК-полимеразы вируса, и зондами Р1 и Р2 (54,4 ± 6,1 %), соответствующими вариабельному гену полиэдрина вируса. Мы сравнили гибридизационную активность изолятов с олигонуклеотидными зондами, в зависимости от фазы вспышки непарного шелкопряда, в который были выделены изоляты, по количеству (%) положительных ответов от максимально возможных в реакции с четырмя зондами. Анализ показал, что в фазе роста численности насекомого изоляты отличались высокой гибридизационной активностью (91,6 ± 7,4 %) - подавляющее количество изолятов гибридизовалось со всеми зондами, что говорит об их генетической гомогенности. В фазе собственно вспышки и, особенно, деградации численности гибридизационная активность изолятов была достоверно ниже. Положительных ответов здесь получено лишь 52,2 ± 10,6 % и 37,1 ± 8,6 % (p < 0,01; < 0,001), соответственно. При этом снижение частоты гибридизации отмечалось, в основном, в реакциях с зондами Р1 - Р3 . По-видимому, изоляты, выделенные в эти периоды цикла насекомого, обладали высокой гетерогенностью, в связи с чем и гибридизовались с меньшим числом зондов. Следует заметить, что, хотя различия в гибридизационной активности между изолятами вируса, выделенными в популяциях с максимальной численностью насекомого и в разрежающихся популяциях, недостоверны (p > 0,05), тенденция снижения гибридизационной активности вируса, отражающая увеличение генетического полиморфизма патогена в динамике вспышки массового размножения насекомого, явно прослеживается.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о сопряженной изменчивости геномов ВЯП и чувствительности непарного шелкопряда к вирусу, обусловленной фазами вспышки массового размножения насекомого. После достижения популяцией насекомых максимальной численности отмечается достоверное (по сравнению с фазой роста численности) увеличение их чувствительности к вирусу и одновременно снижается гибридизационная активность изолятов ВЯП, что является следствием роста генетического полиморфизма вируса. Такая тенденция сохраняется в динамике вспышки и достигает максимального выражения в фазе ее кризиса. Наиболее вероятным объяснением выявленного феномена следует признать, на наш взгляд, то обстоятельство, что в период роста численности насекомых, когда их жизнеспособность максимальная и, соответственно, максимальна резистентность к патогенам, происходит селекция высоковирулентных штаммов вируса, способных преодолеть резистентность. Подобные высоковирулентные штаммы высокогомогенны по генетической структуре и в наибольшей степени соответствуют эталонному штамму. По мере развития очагов уменьшаются жизнеспособность насекомых и их резистентность, что сопровождается ростом гетерогенности вирусной популяции за счет увеличения в ее составе количества изолятов с умеренной и низкой вирулентностью. В фазе деградации численности спектр изолятов по вирулентности, по-видимому, достигает максимума, и тем самым генетический полиморфизм вирусной популяции становится максимальным. Эти предположения подтверждаются нашими данными о характере изменения чувствительности насекомых к вирусу - в фазе деградации чувствительность шелкопряда к вирусу достигает максимальных значений. Следовательно, низкая резистентность насекомых в данный период может способствовать распространению среди них изолятов вируса с различной вирулентностью, т.е. росту гетерогенности вирусной популяции, что согласуется с результатами гибридизации.

Полученные результаты указывают на взаимосвязь динамики популяций непарного шелкопряда и вируса ядерного полиэдроза с состоянием кормовых растений. Влияние вирусной инфекции на размер популяций насекомого зависит от их жизнеспособности, связанной с фазами популяционной динамики и уровнем дефолиации растений, что, в свою очередь, обусловливает генетический полиморфизм популяций вируса. Вероятно, в популяциях шелкопряда в каждой из фаз вспышки циркулируют все, выявленные нами, генетически отличающиеся штаммы вируса, однако в фазе роста численности насекомого репродукция вируса подавляется, особенно штаммов с низкой вирулентностью. В фазе кризиса, когда резистентность насекомых резко снижается, спектр и интенсивность репродуцирующихся штаммов увеличиваются и, соответственно, возрастает смертность от вирусной инфекции насекомых. Это свидетельствует о том, что влияние вируса ядерного полиэдроза на размеры популяции непарного шелкопряда определяется не только насыщенностью его популяций вирусом, но и уровнем резистентности насекомых к инфекции.

Влияние дефолиации кормового растения на активность детоксицирующих и антиоксидантных ферментов средней кишки непарного шелкопряда.

Существенное значение в функционировании кишечника насекомых, и, в частности, в их резистентности против патогенов имеют детоксицирующая и антиоксидантная системы. Особенно это выражено при потреблении корма, содержащего большое количество токсических и неусвояемых ксенобиотиков, например аллелохемиков растений (Бахвалов и др., 2005). Последние cпособны образовывать в кишечнике высокореакционные радикалы. Вероятно, активность этих систем влияет на инфекционность различных патогенов, в том числе вирусов, при их проникновении в кишечник насекомых вместе с кормом, содержащим в высокой концентрации аллелохемики.

В наших исследованиях выращивание инфицированных вирусом и интактных гусениц непарного шелкопряда на листьях, дефолиированных деревьев на 75% и 100% приводило к 1,5-2 кратному снижению активности неспецифических эстераз (НЭ) в средней кишке насекомых. При этом в кишечнике гусениц, инфицированных ВЯП, активность эстераз снижалась больше, чем в кишечнике интактных гусениц (P<0,05). Кроме того, у интактных и инфицированных гусениц увеличивалось соотношение RSSR/RSH (отношение окисленных тиолов к восстановленным) и наблюдалось снижение массы гусениц. По - видимому, снижение активности НЭ в среднем кишечнике гусениц происходит в результате того, что при дефолиации березы в ее листве синтезируются ряд вторичных метаболитов, которые оказывают ингибирующее действие на эту группу ферментов. Возможно, совместно с вирусом это действие еще больше усиливается. Имеются работы, свидетельствующие об ингибирующем действии растительных метаболитов на НЭ. В результате насекомое в большей степени подвержено воздействию вторичных метаболитов растения вследствие снижения интенсивности процессов их детоксикации.

Ингибирование активности эстераз при питании фитофага на ранее дефолиированном растении может иметь практическое значение, поскольку известно, что НЭ ответственны за устойчивость насекомого к некоторым инсектицидам, содержащим эфирные связи. Можно предположить, что гусеницы непарного шелкопряда, развивающиеся на поврежденных растениях могут быть более чувствительны к действию химических препаратов. Исходя из полученных результатов, мы также не исключаем, что такие гусеницы будут более чувствительны к ВЯП, поскольку совместное действие аллелохемиков и ВЯП приводит, как минимум, к аддитивному эффекту - существенному снижению активности эстераз.

Увеличение соотношения RSSR/RSH при развитии инфицированных и интактных гусениц на листьях деревьев, подвергшихся дефолиации, вероятно, является следствием увеличения генерации активных кислородных метаболитов (АКМ) в просвете среднего отдела кишечника насекомого. Это может происходить вследствие изменения состава вторичных метаболитов в тканях дефолиированного растения и снижать пригодность растения для фитофага. Так, явление «окислительного стресса» наблюдали в средней кишке непарного шелкопряда при смене предпочитаемого кормового растения (дуб) на менее предпочитаемое растение (акация) [Peric-Mataruga et al., 1997]. Это, по мнению авторов этого исследования, происходило в результате увеличения содержания алкалоидов и флавоноидов в корме. Генерация АКМ в просвете кишечника также может являться причиной снижения активности НЭ в эпителии средней кишки. Снижение активности каталазы и увеличение соотношения окисленных и восстановленных тиолов в средней кишке непарного шелкопряда выявлено нами при выращивании инфицированных и интактных гусениц на листьях, обработанных таниновой кислотой. Это подтверждает предположение о том, что таниновая кислота, содержание которой увеличивается в листьях березы после дефолиации, может усиливать генерацию АКМ в просвете кишечника насекомого, питающегося листвой березы. По-видимому, в просвете кишечника в процессе окисления таниновой кислоты образуются промежуточные продукты, которые способны повреждать многие биологические мишени. Вероятно, в результате этого происходит повреждение и вирусных частиц, которые также присутствуют в средней кишке при инфицировании насекомого.

Оценивая полученные результаты можно утверждать, что снижение активности одного из ключевых антиоксидантных ферментов - каталазы, ответственной за общее количество Н2О2 в межклеточном пространстве организма насекомого, приводит к увеличению количества окисленных тиолов. Как следствие, происходит снижение риска возникновения «окислительного стресса» за счет нейтрализации перекисного окисления липидов и других высокореакционных соединений. Иными словами можно говорить о своеобразном перераспределении «нагрузки» между ферментативными и неферментативными антиоксидантами.

4. Содержание и динамика аллелохемиков в листве дефолиированных деревьев и их влияние на развитие непарного шелкопряда

При исследовании содержания аллелохемиков в листве интактных и поврежденных берез нами показано, что содержание оксибензойных кислот и простых полифенолов, уменьшалось в листьях деревьев через год после искусственной дефолиации. В то же время содержание этих аллелохемиков в листьях через 30 суток после искусственной дефолиации и через год после объедания шелкопрядом даже несколько увеличивалось. Однако продукция этих соединений мало связана с дефолиацией, поскольку они относятся к промежуточным соединениям биосинтеза более сложных структур, поэтому их количество в листве весьма вариабельно.

Реакция растений на потерю зеленой массы сопровождалась увеличением содержания жирных кислот и жирных спиртов суммарных липидных фракций. Всего в общем липидном экстракте идентифицировано 11 кислот. В листьях деревьев через 1 год после искусственной дефолиации и через 30 суток после объедания шелкопрядом увеличивалось содержание насыщенных кислот. Кроме того, при формировании новых листьев после искусственной дефолиации происходит десатурация жирных кислот, то есть образование новых двойных связей. В листьях растений, подвергающихся естественной дефолиации, высоко содержание короткоцепочных насыщенных жирных, а также триеновых кислот по отношению к контролю. Можно предположить, что биохимическая адаптация при дефолиации регулируется с помощью синтеза полиненасыщенных кислот, а также за счёт образования жирных кислот с короткой углеродной цепью.

Общее содержание стеринов и тритерпенов составляло 0.35-0.46 %. Основным компонентом фракции стеринов во всех исследованных образцах листьев являлся в-ситостерин, содержание которого в образцах экстрактов растений, подвергшихся дефолиации, снижалось (P < 0.05), а главным компонентом тритерпеновых соединений был тритерпен 1. Содержание свободных флавоноидов и флавоноидных гликозидов в листьях не изменялось через 30 суток и уменьшалось через год после искусственных повреждений. Однако через год после объедания деревьев шелкопрядом содержание этих соединений в листве значительно увеличивалось, что коррелировало с падением жизнеспособности насекомых и деградацией численности популяции. Наибольшим содержанием флавоноидов отличались экстракты растений, подвергнутых естественной дефолиации. Общая сумма флавоноидов в экстрактах листьев берёз составляла 2.67-3.47%. Колоночной хроматографией экстрактов выделено 6 индивидуальных флавонов, 2 флаванона и флаванонол. Интерес представляет обнаружение и выделение из экстрактов 3-метоксифлавона и 3- гидроксифлаванонола. По данным Запрометова, полиметоксифлавоны относятся к соединениям, делающим растения устойчивыми к патогенным грибам, например к Penicillium digitatum и видам Geotrichum. Соотношение основных флавоноидов в экстрактах резко различалось. В некоторых образцах увеличивалось содержание флаванонов (до 30-34% от суммы экстрактивных веществ, по сравнению с их содержанием в контрольных образцах 12%). При дефолиации также возрастало содержание флаванонола. Содержание основных флавонов снижалось в растениях, подвергшихся дефолиации (от 60 до 20%).

Отношение флавоноидов к общему содержанию фенольных компонентов варьировало в пределах 7-17 %. Содержание флавоноидов значительно выше (Р < 0,05) в листьях растений через 1 год после искусственной дефолиации и после повреждения растений шелкопрядом (Р < 0,01) по сравнению с контролем. Эти результаты представляют интерес в связи данными, приведенными в некоторых работах по содержанию антоцианов, проантоцианидинов и галлотанинов в листьях берез, устойчивых к объеданию насекомыми.

Как мы уже отмечали, различия в динамике аллелохемиков в листьях искусственно дефолированных деревьев и в листьях деревьев, объеденных шелкопрядом в какой-то степени могут быть обусловлены различным характером дефолиации. Искусственная дефолиация производилась в течение 1 - 2-х часов и сразу по всей кроне, в то время как объедание насекомыми происходило в течение примерно 15 дней, причем, сначала насекомые объедали, в основном, верхнюю часть кроны, а затем нижнюю. Кроме того, при объедании листьев (хвои) насекомыми их слюна выступает индуктором биохимических реакций в растениях, продукты которых отрицательно действуют на пищеварение насекомых.

Основываясь на полученных данных можно предположить, что существует связь между повышенным содержанием флавоноидов в листьях сильно поврежденных деревьев и падением жизнеспособности насекомых, развивающихся на этих деревьях, что способствует уменьшению размеров популяции филлофага. В литературе имеется много весьма неоднозначных сведений о влиянии фенольных соединений, в том числе и флавоноидов, на развитие различных видов насекомых, хотя существенное значение их в резистентности растений признается многими авторами.

Выявленные нами изменения в содержании вторичных метаболитов происходят в листьях деревьев только через год после их дефолиации. Это свидетельствует, что по изученным нами показателям нам не удалось обнаружить у березы реакцию быстрой индуцированной резистентности, наступающую у деревьев в сезон нанесения повреждений, как об этом сообщают некоторые авторы. В то же время, реакция замедленной индуцированной резистентности, наступающая на следующий год после нанесения повреждений, выявлена как при искусственной, так и при естественной дефолиации. Многие авторы полагают, что реакция замедленной индуцированной резистентности у деревьев, возможно, имеет решающее значение в химической защите растений от насекомых-филлофагов [Kaitaniemi et al., 1998; Parry et al., 2003]. Исходя из приведенных выше результатов, свидетельствующих о важной роли некоторых флавоноидов и танинов в резистентности древостоев, мы провели изучение динамики важнейших флавоноидов (флавонолов и катехинов) и танинов в листьях искусственно поврежденных деревьев. В результате было выявлено, что в листьях деревьев полностью дефолиированных в предыдущем году, содержание флавонолов не меняется, а танинов хотя и увеличивается, но не достигает достоверных значений (рис. 5). В то же время количество катехинов возрастает. Характерной особенностью является то, что в листьях всех поврежденных деревьев резко возрастает вариабельность содержания всех определяемых фенольных соединений. Так, коэффициент вариации содержания флавонолов в листьях контрольных деревьев составляет 13,8, а в листьях поврежденных - 54,7. При этом размах показателей количества этих веществ в контроле равняется 32,2%, а в опыте ? 101%. Соответствующие показатели для катехинов составляют 10,8 и 26,0, размах 35,5% и 135,6%, а для танинов 20,4 и 32,7 при размахе 41,5% и 137,5%.

Таким образом, полная дефолиация березовых древостоев вызывает повышение количества катехинов в листьях и резко увеличивает вариабельность в содержании флавонолов, катехинов и танинов в листьях поврежденных деревьев, что свидетельствует о значительных индивидуальных различиях в реакции деревьев на дефолиацию.

5. Взаимоотношения в системе: «растение-насекомое-вирус» и возможности их использования в регуляции численности насекомых

Широкие исследования вирусов насекомых и, в частности, бакуловирусов, начавшиеся во всем мире в середине прошлого столетия, были обусловлены, главным образом, перспективами применения этих патогенов для управления численностью массовых видов насекомых.

Высокая специфичность, сравнительно низкие дозы применения и высокая биологическая эффективность вирусных энтомопатогенных препаратов представлялись на начальных этапах их применения несомненной гарантией блестящих перспектив.

Один из первых отечественных вирусных препаратов: «Вирин-Диприон», созданный на основе ВЯП кишечного типа уже в течение нескольких десятилетий является высокоэффективным и наиболее востребованным вирусным препаратом в лесозащите России. Однако, как показал опыт, дозы этого препарата, регламентированные техническими условиями при его регистрации часто оказывались недостаточными для эффективного подавления популяций рыжего соснового пилильщика.

Исследования показали, что в экспериментальных условиях обработка хвои сосны дозой препарата, эквивалентной 10 мл/га, вызывает гибель 50% личинок пилильщика 1-2 возраста на 5-6 день (ЛТ50), а 90%- на 8 - 9 день. Защитный эффект по объеданию крон при внесении такой дозы в насаждения очень высокий - потери хвои не превышают 10%, при уровне заселенности насаждений насекомыми способными вызвать сильное (не менее 75%), или сплошное (до 100%) объедание. Эти данные подтверждают ранее полученные результаты, на основе которых и были разработаны рекомендации по дозировке препарата при обработках заселенных пилильщиком лесонасаждений. Если же обработку корма указанной дозой проводить во 2 - 3 - м возрастах личинок, то гибель 50% насекомых происходит только на 9 - 10 день, а 90% на 13-14 день. Потери хвои в очагах массового размножения насекомого при аналогичной заселенности и обработке их названной дозой препарата составляют уже 30 - 40%. Обработка насаждений с высокой заселенностью пилильщика (не менее 75% дефолиации) дозой 10мл/га в 3 - 4 - м возрастах личинок по - существу уже бесполезна, поскольку в этом случае потери ассимиляционного аппарата растениями в очагах близки к потерям в необработанных насаждениях. Только в первых двух возрастах личинок ЛК50 препарата ниже рекомендуемой для обработок дозы в 10 мл/га, а ЛТ50 составляет несколько дней. Начиная с 3-го возраста чувствительность насекомых к препарату резко снижается и в последних двух возрастах она уже более, чем в 50 раз ниже, чем в первых двух. Соответственно увеличивается и ЛТ50. Если при обработке корма в период, когда личинки находятся в 1-2 возрасте, этот показатель составляет 5,8 дня, то при обработке в период, когда личинки находятся в 3 - 4 возрасте, он равняется 10,4 дня, а ЛК50 препарата увеличивается почти в 10 раз. Опыт свидетельствует также, что обработка насаждений против лесных насекомых, и, в частности, против рыжего соснового пилильщика в нашей стране проводится в эруптивной фазе вспышки насекомого, когда вероятность достижения удовлетворительных результатов защитных мероприятий снижается. Повышение дозы препарата, вносимого на единицу площади, в этом случае также способствует получению более надежного защитного эффекта. В то же время анализ литературы показывает, что проведение обработок лесных насаждений, заселенных вредителями на средних и низких уровнях численности, привлекает все больше сторонников среди специалистов по защите леса [Podgwaite et al., 1993; Reardon, Podgwaite, 1994]. Такие обработки позволяют предотвратить расширение очагов массового размножения насекомых или прекратить вспышку численности, а в случае неудовлетворительной эффективности наносимые насаждениям повреждения не являются катастрофическими. И хотя из-за более низкой чувствительности насекомых к инсектицидам, особенно биологическим, в продромальной фазе вспышки удельный расход препаратов увеличивается, в конечном счете, он ниже, чем при обработках очагов в эруптивной фазе вспышки численности. Наряду с тенденцией к подавлению численности популяций вредителей на низких и средних уровнях численности в зарубежных странах отмечается тенденция по увеличению доз вирусных препаратов, вносимых в насаждения [Cunningham et al., 1993; Forti, Joriatti, 1988; Gelernteret al., 1986; Glowacka - Pilot, 1986; Podgwaite et al., 1993; Reardon, Podgwaite, 1994]. Эти тенденции, по нашему мнению, отражают новый подход к биологической защите леса вирусными препаратами. Начиная с 80-х годов, рекомендуемые дозы для обработок лесонасаждений вирусными препаратами в мировой практике выросли по-сравнению с 60 - 70- ми годами прошлого века примерно в 10 раз. Связано это с рядом причин, в том числе и с теми, о которых шла речь выше, а также с тем, что не оправдались надежды на широкое развитие эпизоотий насекомых после обработок насаждений вирусными препаратами. В большинстве случаев вирусные препараты действуют как обычные инсектициды, т. е. в обработанных препаратом насаждениях гибнут только те особи, которые были инфицированы внесенным патогеном. Инфицирование насекомых новым поколением вируса, как показывают исследования, не имеет существенного значения для их популяций в год проведения защитных мероприятий.

Таким образом, полученные нами данные, как и результаты исследований других авторов, свидетельствуют, что обработка сосняков против рыжего соснового пилильщика при его численности способной вызвать не более 50% повреждений в период нахождения большинства личинок во втором и третьем возрастах, может быть рекомендована, как наиболее оптимальная. Поскольку в этот период популяционного цикла насекомые более устойчивы против патогенов, чем в конце эруптивной фазе вспышки, то рекомендуемое нами повышение дозы до 50 мл на 1 га также необходимо для преодоления этой устойчивости. Несмотря на повышение затрат на проведение защитных мероприятий в связи с рекомендуемым увеличением дозы вирусного препарата их стоимость лишь приблизится к стоимости обработок очагов пиретроидными препаратами. Реализация представленных рекомендаций по применению вирусного препарата: «Вирин -Диприон» в известной мере означает новый подход к применению вирусного препарата и будет способствовать повышению эффективности защиты сосняков против рыжего соснового пилильщика. Биопрепараты, созданные на основе бакуловирусов, вызывающих генерализованные инфекции, оказались менее эффективными, хотя в ряде случаев они успешно использовались для снижения численности популяций шелкопряда-монашенки и сибирского шелкопряда. Главные их недостатки - сравнительно низкая вирулентность вирусов, на основе которых созданы препараты, и длительный инкубационный период инфекции, вследствие чего насекомые успевают до гибели нанести существенные повреждения древостоям. Преодоление этих недостатков возможно посредством многократного увеличения дозы вносимого в насаждения препарата, что влечет за собой такое же увеличение стоимости препарата и, соответственно, защитных мероприятий. Однако высокая стоимость препаратов делает их нерентабельными. Кроме того, оказались несостоятельными надежды на быструю инициацию массовых эпизоотий в популяциях фитофагов после внесения вирусных и других микробиологических препаратов в отдельные участки насаждений, заселенных вредителями. Создание искусственных эпизоотий считалось важнейшим достоинством и наиболее перспективным направлением в применении микробиопрепаратов. Однако с развитием биологических методов защиты растений эти надежды, как и некоторые другие перспективы применения биопрепаратов, не оправдались. Частые случаи низкой эффективности применения микробиопрепаратов, особенно препаратов на основе бакуловирусов генерализованного типа, вызывали справедливые нарекания практиков и порождали недоверие к этим препаратам. Уровень горизонтальной передачи вирусов в популяциях насекомых не обеспечивал ожидаемого возникновения эпизоотий в сопредельных с обработанными препаратами участках насаждений в сезон обработки, поэтому необходима была тотальная обработка заселенных филлофагами массивов. Кроме того, теоретически обоснованные дозы препаратов, вносимых на единицу площади, оказались в большинстве случаев заниженными. Опыт показал, что дозы должны быть значительно увеличены. Так, например, согласно инструкции по применению вирусного препарата Вирин - ЭНШ, на 1 га насаждений необходимо было вносить 100 г препарата (1011 полиэдров вируса). Фактически для достижения нужной эффективности эту дозу нужно увеличить не менее, чем в десять раз. Например, в США препарат: «Джипчек, аналогичный препарату: «Вирин-ЭНШ» рекомендуется использовать в дозе 1,25х 1012 пол/ га. Вполне закономерно, что повышение доз резко увеличивало стоимость обработок.

Одной из причин критического отношения к вирусным препаратам являлась их высокая видоспецифичность. В данном случае экологическая безопасность сталкивается с экономическими интересами. Экономически более выгодно использовать биологические или химические инсектициды, обладающие широким спектром действия. Все это привело к тому, что, начиная с середины 80-х гг. прошлого столетия, оптимизм, связанный с использованием вирусных энтомопатогенных препаратов, сменился определенным пессимизмом, повлекшим за собой снижение объемов производства и применения вирусных препаратов в ряде экономически развитых стран мира, в том числе и в России. Поэтому, несмотря на определенные успехи в использовании вирусных препаратов в защите леса, на современном этапе развития теории и практики управления численностью популяций лесных филлофагов требуется значительно повысить качество препаратов и стратегию их применения.

Перспективы использования биопрепаратов, в том числе и вирусных, для управления численностью насекомых в современных условиях неоднократно обсуждались в литературе, и уже сделаны практические шаги по качественному улучшению производимых вирусных препаратов и их применению в ряде зарубежных стран. Повышение эффективности биопрепаратов должно осуществляться по нескольким направлениям. Одним из таких направлений является работа со штаммами вирусов, на основе которых создаются препараты. Необходим постоянный поиск в естественных популяциях насекомых штаммов вирусов с высокой вирулентностью, которые в течение некоторого времени способны сохранять эту вирулентность при наработке на их основе препаратов. За рубежом уже давно исследуется возможность использования в биопрепаратах рекомбинантных бакуловирусов, способных существенно увеличить эффективность препаратов. В ряде случаев, рекомбинантные бакуловирусы значительно уменьшали время наступления гибели, устраняя такой недостаток их применения, как длительный латентный период. Обнадеживающие результаты получены при полевых испытаниях генетически модифицированного ВЯП против непарного шелкопряда. Еще одним направлением повышения эффективности биопрепаратов является радикальное улучшение рецептурной формулы создаваемых препаратов за счет введения различных адъювантов (усилителей эффективности препаратов). В обеспечении биологической эффективности препарата его состав имеет не меньшее значение, чем вирулентность патогена, являющегося основой препарата. Помимо вируса в состав препарата вводятся протекторы, защищающие вирус от УФ-радиации, прилипатели, обеспечивающие его фиксацию на поверхности обрабатываемого субстрата, фагостимуляторы, способствующие более полному и быстрому поеданию инфицированного субстрата насекомыми. УФ-радиация - самый мощный фактор инактивации бакуловирусов. В последние годы в качестве протекторов от УФ-лучей стали использовать так называемые оптические просветлители - стилбеновые соединения (Tinopal, Blankophor, Leucophor, Phorwite и др.). Эти соединения поглощают энергию УФ-света, обеспечивая защиту бакуловирусов от разрушения. Добавление Leucophor BS (BSB), Phorwite AR (RKH) и Tinopal LPW к ВЯП непарного шелкопряда обеспечило снижение ЛК50 на три порядка, а ЛТ50 в два раза. В качестве адъювантов могут выступать ингредиенты, способствующие увеличению проницаемости клеточных мембран насекомых для вируса. Примером может служить диметилсульфоксид (ДМСО), добавление которого к бакуловирусам увеличивало их активность. Показана перспективность введения фермента хитиназы в вирусные препараты на основе ВГ и ВЯП [Штерншис, 2001]. Фермент разрушает хитин перитрофической мембраны, усиливая проникновение вируса. При добавлении хитиназы к ВЯП непарного шелкопряда американские ученые наблюдали снижение ЛК50. Проводятся испытания по введению в вирусные препараты соединений, ингибирующих транспорт анионов и катионов, а также ингибиторов активности карбоангидраз в клетках тест-насекомых. Некоторые из этих соединений повышали вирусную активность, существенно уменьшая ЛК50 вируса, что дает возможность рассматривать их как потенциальных усилителей эффективности вирусных препаратов.

Как показали наши исследования, весьма перспективным направлением в повышении эффективности вирусных препаратов может стать введение в их состав соединений растительного происхождения, участвующих в естественных механизмах, обусловливающих устойчивость растений к насекомым. В первую очередь это аллелохемики, действующие на насекомых как токсины, антифиданты и антинутриенты. Среди них важнейшее значение принадлежит фенольным соединениям и алкалоидам. В наших опытах по выращиванию непарного шелкопряда на листве березы, обработанной ВЯП и растительными экстрактами из оленьего мха (Cladonia) и других растений, содержащих фенольные соединения в концентрации 0,1%, установлено снижение массы гусениц и куколок, уменьшение количества самок, увеличение общей смертности насекомых и их смертности от полиэдроза. Это согласуется с данными по повышению активности ВЯП непарного шелкопряда при добавлении растительного экстракта, содержащего тритерпеновые соединения. Важным направлением в улучшении эффективности биопрепаратов следует признать совместное применение нескольких энтомопатогенных препаратов, главным образом вирусных и бактериальных. Возможно, что создание комплексного биопрепарата на основе нескольких микроорганизмов окажется перспективным направлением использования энтомопатогенных вирусов для управления численностью лесных насекомых. Внимание исследователей при создании таких препаратов, по нашему мнению, должно быть сосредоточено в первую очередь на изучении возможности интерференции действия микроорганизмов и соотношении их доз в препарате. Наконец, необходимы существенные изменения в стратегии и технологии применения вирусных препаратов. Исследования многих авторов за рубежом свидетельствуют, что наиболее эффективным способом применения биопрепаратов является их использование в системе интегрированной защиты леса. Интегрированные системы направлены на максимальное использование естественных регулирующих механизмов лесных экосистем совместно с различными искусственными формами управления численностью одного вида насекомого или их комплекса. Одним из важных условий внедрения интегрированных систем управления численностью лесных насекомых является постоянный мониторинг видов, способных давать вспышки массового размножения. К сожалению, в лесном хозяйстве России разработка этих систем, практически не проводится. Однако стратегия применения вирусных препаратов и вне интегрированных систем также должна меняться. Сущность изменений в применения энтомопатогенных вирусных препаратов заключается в дифференцированном подходе к подавлению ими различных популяций вредителей. Рекомендуемые сейчас дозы внесения биопрепаратов в насаждения являются стабильными и определяются ТУ при их регистрации. Таким образом, количество вносимого патогена в очаги массового размножения вредителей независимо от фазы развития очага и плотности насекомых в нем остается постоянным на протяжении всего периода применения препарата. Между тем нами и другими исследователями показана высокая вариабельность чувствительности насекомых на различных фазах популяционного цикла к патогенам, в том числе и к вирусам. Следовательно, дозы биопрепаратов необходимо корректировать в зависимости от фазы развития очага размножения насекомого. В начальный период развития очага массового размножения чувствительность насекомых к инсектицидам, особенно биологическим, гораздо ниже, чем позднее, поэтому при подавлении таких очагов дозы препаратов должны быть увеличены. Так, например, для непарного шелкопряда и шелкопряда-монашенки разница в чувствительности гусениц 2- го возраста к вирусу ядерного полиэдроза в продромальной фазе вспышки и в конце эруптивной фазы достигает двух порядков. Обычно рекомендуемые дозы внесения отечественных препаратов в насаждения ориентированы на субкритическую, или критическую плотность насекомых, что соответствует, примерно, середине эруптивной фазы вспышки, когда угроза повреждения древостоев составляет 50 - 75%. Поэтому, при необходимости подавления очагов в начальный период их развития дозу препарата необходимо увеличивать в несколько раз. В развитых странах Европы и Америки подавление популяций лесных филлофагов обычно начинается на ранних стадиях формирования очагов массового размножения, когда угроза повреждений сравнительно невысокая. По принятой в нашей стране шкале развития вспышек массового размножения это соответствует примерно второй половине продромальной фазы вспышки. В нашей лесозащитной практике обычным является проведение лесозащитных мероприятий в начале и середине, а нередко и в конце фазы собственно вспышки и даже в фазе деградации очагов массового размножения. Проведенные нами исследования в нескольких популяциях непарного шелкопряда и рыжего соснового пилильщика показывают, что подавление очагов массового размножения насекомых вирусными препаратами может быть успешным в самом начале их формирования. Главным условием этого является необходимость увеличения обычно применяемых доз препаратов не менее, чем в десять раз. Несмотря на это, стоимость защитных мероприятий за счет небольших площадей формирующихся очагов ниже, чем подавление уже сформировавшихся очагов. По сути, речь идет о профилактических защитных мероприятиях. Мы проводили подавление зарождающихся очагов вредителей вирусными препаратами в период, когда уровень вероятных повреждений древостоев насекомыми не превышал 15-20%. Очаги непарного шелкопряда в естественных березняках Новосибирской области были обработаны препаратом: « Вирин-НШ», а очаги рыжего соснового пилильщика в искусственных сосняках Волгоградской и Ростовской областей - препаратом: «Вирин-Диприон». При проведении обработок насаждений, заселенных непарным шелкопрядом, абсолютное большинство яйцекладок обрабатывалась вирусным препаратом. На двух участках, куда вносился Вирин - НШ в дозе 1,9 х 1012 пол./га, не произошло снижения численности шелкопряда. В ювенильных фазах развития наблюдался низкий уровень гибели насекомых от полиэдроза и других причин, не превышающий 33,2%. Осенний учет по яйцекладкам показал, что количество яйцекладок на этих участках выросло в несколько раз.

Такой же рост наблюдался и в контрольных насаждениях. Это свидетельствовало о том, что обработка этих участков вирусным препаратом не предотвратила вспышку размножения насекомого. На двух других участках, где доза вносимого в насаждения «Вирин-НШ» была в несколько раз выше, гибель гусениц и куколок от полиэдроза и других причин составила в 67,8% при крайних значениях 49,7% и 71,4%, а количество яйцекладок значительно уменьшилось. На всех участках насаждений, обработанных:«Вирин - Диприон», произошло существенное снижение численности насекомого. Гибель личинок пилильщика от полиэдроза составила, в среднем, 72,5%, при крайних значениях 58,6% и 84,7%. На контрольном участке плотность насекомых выросла в несколько раз.

Таким образом, опыты по подавлению формирующихся очагов массового размножения непарного шелкопряда и рыжего соснового пилильщика показали принципиальную возможность их подавления вирусными препаратами. Следует, однако, иметь в виду, что вирусные препараты против одного вида филлофага, по-видимому, могут показывать различную эффективность в отношении различных популяций этого насекомого. Об этом свидетельствуют результаты наших исследований по определению восприимчивости насекомых из различных популяций к одному штамму вируса, которые приведены выше. Для проверки этого предположения мы совместно с американскими коллегами провели сравнительное изучение биологической активности созданного нами вирусного препарата: « Вирин-НШ» против непарного шелкопряда и американского препарата: «Джипчек» (Gypchek), в течение многих лет применяемого для подавления численности этого насекомого. Эти исследования имеют большое значение, поскольку непарный шелкопряд сейчас наиболее распространенный и опасный в Евразии и Северной Америке дефолиатор лиственных и хвойных лесов. Применение вирусных и других биопрепаратов против него зачастую малоэффективно в одних насаждениях и эффективно в других. Причинами этого могут быть различия в физиологическом состоянии насекомых обусловленные резистентностью насаждений, или различия в биологической активности штаммов патогенов, являющихся основой препаратов по отношению к различным популяциям насекомого. Поэтому панзоотические вспышки массового размножения непарного шелкопряда, наблюдающиеся в последние четверть века в Европе, Азии и Северной Америке, существенно обострили внимание к вопросу управления численностью популяций этого фитофага. Так, по нашим данным, только на территории Западной Сибири в течение последних двух десятков лет очаги массового размножения непарного шелкопряда ежегодно действовали, в среднем, на площади около 85 тыс. га. В некоторые годы их площадь составляла несколько сотен тысяч га. Средняя площадь очагов непарного шелкопряда на территории России в этот период ежегодно приближалась к одному миллиону га. В США в 1982 г. только в штате Пенсильвания непарный шелкопряд вызвал полную дефолиацию лесных массивов на площади около 800 тысяч га.

Заключение

кормовой вирусный генетический шелкопряд

Представленные результаты исследований указывают на взаимосвязь онтогенеза и динамики популяций непарного шелкопряда, шелкопряда-монашенки, а также рыжего соснового пилильщика с поражающими их паразитами, в первую очередь вирусами ядерного полиэдроза, с одной стороны, и кормовыми растениями с другой. Кормовое растение, являясь основанием трофической пирамиды, влияет на насекомых, определяя их жизнеспособность, с которой в свою очередь связана резистентность филлофага против паразитов, в том числе вирусов и паразитоидов. Индивидуальное развитие и популяционная динамика насекомых-филлофагов тесно связаны с качественным состоянием кормового ресурса, которое существенно зависит от уровня дефолиации растений. Развитие насекомых на листве поврежденных растений ухудшает показатели жизнеспособности насекомых, способствует активации в их организме скрытых инфекций и вследствие этого увеличению смертности. Влияние вирусов и паразитоидов на размер популяций насекомых зависит от жизнеспособности насекомых, в конкретной фазе популяционной динамики и характерным для неё уровнем дефолиации растений.

Выявлено, что с фазами популяционной динамики непарного шелкопряда связан генетический полиморфизм популяций вируса ядерного полиэдроза, поражающего насекомых. В частности по мере увеличения дефолиации кормового растения наблюдается сопряженная изменчивость геномов ВЯП и чувствительности насекомых к вирусу. Вероятно, в популяциях непарного шелкопряда в каждой из фаз вспышки циркулируют штаммы вируса с различной вирулентностью, однако в фазе роста численности насекомого развитие вируса подавляется, в первую очередь репродукция штаммов с низкой вирулентностью. В фазе кризиса, когда резистентность насекомых резко снижается, спектр репродуцирующихся штаммов увеличиваются и соответственно возрастает смертность от вирусной инфекции среди насекомых. Это свидетельствует о том, что влияние вируса ядерного полиэдроза на размеры популяции непарного шелкопряда определяется не насыщенностью его популяций вирусом, а уровнем резистентности насекомых к инфекции.

Изучение влияния лесорастительных условий в которых произрастают древостои на популяционную динамику шелкопряда-монашенки и непарного шелкопряда и их пораженность вирусами ядерного полиэдроза показало, что уровень спонтанного полиэдроза среди этих видов лесных насекомых зависит от лесорастительных условий, в которых находятся кормовые растения филлофагов. Среди насекомых, развивающихся в насаждениях с пессимальными лесорастительными условиями, уровень спонтанного полиэдроза, восприимчивость к экзогенному инфицированию вирусом и плотность яйцекладок выше, чем среди насекомых, развивающихся в насаждениях с оптимальными лесорастительными условиями. Амплитуда флуктуаций численности непарного шелкопряда и продолжительность вспышек его массового размножения также различаются в лесонасаждениях с различными лесорастительными условиями. 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 была значительно меньше повреждена листва.

Смертность, обусловленная вирусом ядерного полиэдроза в ювенильных фазах развития непарного шелкопряда в период вспышки, в высокопродуктивных древостоях, также как и у шелкопряда-монашенки была существенно ниже, чем в низкопродуктивных. Вероятно, более высокий уровень гибели насекомых от полиэдроза в низкопродуктивных насаждениях обусловлен значительным снижением резистентности деревьев к воздействию насекомых. Вследствие этого снижается гибель слаборезистентных насекомых в насаждениях с пессимальными лесорастительными условиями по сравнению с оптимальными. В результате в популяции происходит аккумуляция 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 терминальной фазы болезни. Поэтому численность гусениц старших возрастов в период вспышки массового размножения в насаждениях с различным функциональным состоянием существенно отличались.

Выявлено также важное значение биотопических (лесорастительных) условий насаждений для динамики популяций рыжего соснового пилильщика и его пораженности ВЯП. Полученные результаты свидетельствуют, что лесорастительные условия, в которых произрастают сосновые культуры, влияют на их заселенность рыжим сосновым пилильщиком. Экологическая плотность личинок пилильщика, как и заселенность ими древостоев, выше в участке с пессимальными для кормовой породы лесорастительными условиями и, соответственно, выше уровень поврежденности древостоев насекомыми. Чувствительность личинок пилильщика к ВЯП в участках с альтернативными лесорастительными условиями имела достоверные отличия по показателю ЛТ50 для личинок 4 возраста.

О важной роли физиологического состояния древостоев для их энтоморезистентности свидетельствуют также результаты опытов по созданию искусственных очагов массового размножения насекомых в высокопродуктивных насаждениях. Основным фактором, из-за которого не происходило развитие искусственных очагов массового размножения насекомых, была резистентность древостоев. Основная часть популяции насекомых в этих насаждениях погибла в фазе гусеницы в младших возрастах, когда патогены и паразитоиды практически не оказывают влияния на численность насекомых, а гибель происходила в основном из-за неблагопрятных условий питания, обусловленных резистентностью древостоев.

Тесная взаимосвязь жизнеспособности популяции насекомых в их реакции на изменения уровня резистентности древостоев после дефолиации выявлена при комплексном использовании данных основных показателей жизнеспособности насекомых и динамики популяционной структуры гемоцитов. Двукратная искусственная 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 в активизации у насекомых пролиферативных процессов в гемолимфе. В естественных условиях двукратная 50%-я и 75%-я дефолиация березы непарным шелкопрядом наблюдается обычно на пике численности популяции 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.

С помощью предложенного нами метода анализа экстрактивных веществ показано, что при дефолиации березы наблюдается снижение общего выхода экстрактивных веществ путем снижения содержания в экстрактах стеринов, тритерпеновых соединений и полярных полифенольных соединений. Потеря растением листвы сопровождается увеличением в общем липидном экстракте короткоцепочных и ненасыщенных жирных кислот и спиртов, а также снижением содержания флавонов, однако при этом происходит накопление флаванонов, флаванонола и гликозидосодержащих флавонов. В листьях деревьев тотально дефолиированных в предыдущем году, содержание флавонолов не меняется, а танинов хотя и увеличивается, но не достигает достоверных значений. В то же время количество катехинов возрастает. Характерной особенностью является то, что в листьях всех поврежденных деревьев резко возрастает вариабельность в содержании всех определяемых фенольных соединений, что свидетельствует о значительных индивидуальных различиях в реакции деревьев на дефолиацию.

Выявленные изменения в содержании вторичных метаболитов происходят в листьях деревьев только через год после их дефолиации. Это свидетельствует, что по изученным нами показателям нам не удалось обнаружить у березы реакцию быстрой индуцированной резистентности, наступающую в сезон нанесения повреждений.

Установлено, что при повышении содержания в листьях деревьев флавоноидов, жирных кислот и спиртов в очаге массового размножения непарного шелкопряда после 75-100% дефолиации падала жизнеспособность насекомых, что приводило к деградации очагов его массового размножения.

Анализ эффективности использования энтомопатогенных вирусных препаратов в управлении численностью массовых видов лесных насекомых свидетельствуют, что, хотя несколько вирусных препаратов с определенным успехом применяются для управления численностью лесных филлофагов в России, перспективы их использования связаны с дальнейшими широкими исследованиями по нескольким направлениям. Это постоянный поиск в естественных популяциях насекомых высоковирулентных штаммов вирусов и создание на их основе усовершенствованных рецептурных форм препаратов с введением в их состав эффективных УФ-протекторов, аллелохемиков и других компонентов, выполняющих роль адьювантов; изменение стратегии применения препаратов и внедрение современных технологий их внесения в насаждения. Названные направления являются, по нашему мнению, первоочередными в рамках задачи по качественному улучшению системы управления численностью лесных насекомых с помощью вирусных препаратов. Дальнейший прогресс в их использовании связан с созданием комплексных биопрепаратов в состав которых будут входить аллелохемики, рекомбинатные вирусы и другие микроорганизмы. Решающим условием успеха этих препаратов мы считаем применение их в системах интегрированной защиты леса.