Экологические и физиолого-биохимические закономерности взаимоотношений в системе "картофель-колорадский жук"

Умаров, Ильгиз Авазович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологические и физиолого-биохимические закономерности взаимоотношений в системе "картофель-колорадский жук"
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Экологические и физиолого-биохимические закономерности взаимоотношений в системе "картофель-колорадский жук""

На правах рукописи

УМАРОВ ИЛЬГИЗ АВАЗОВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ В СИСТЕМЕ «КАРТОФЕЛЬ - КОЛОРАДСКИЙ ЖУК»

03.00.12. - физиология и биохимия растений 03.00.16. - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

□□34УБ73Ь

УФА-2009

003476735

Работа выполнена на кафедре биохимии и биотехнологии ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор Ибрагимов Ринат Исмагилович

доктор биологических наук, доцент Беньковская Галина Васильевна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Кудоярова Гузель Радомесовна доктор биологических наук, профессор Русанов Александр Михайлович

Ведущая

ГНУ Башкирский НИИ сельского хозяйства РАСХН

организация:

Защита состоится «15» октября 2009 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.11 при ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет» по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, биологический факультет, ауд. 332; факс: (347)273-67-78; e-mail: disbiobsu@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет» и с авторефератом на официальном сайте: http://www.bashedu.ru.autoreferat/autoreferat.htm

Автореферат разослан « »_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.б.н., проф.

Шарипова М.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Картофель является одним из основных продуктов питания человека и соответственно, одной из широко возделываемых культур на планете. Мировое производство этого продукта сельского хозяйства составляет до 33-35 млн. тонн в год. Острой проблемой картофелеводства в нашей стране остается защита посевов от его опасного вредителя - колорадского жука.

До недавнего времени казалось, что для решения этой проблемы достаточно рационального использования химических средств защиты растений - инсектицидов (Сухорученко, 1990). Однако систематическое использование инсектицидов в течение относительно короткого периода времени (около 30 лет) уже привело к развитию устойчивых к препаратам популяций насекомых (Леонтьева и др., 2006). В частности, массовое заселение территории Республики Башкортостан колорадским жуком проходило в период с 1976 по 1979 годы (Мигранов, 1990; Амирханов, 1995). Устойчивые к фосфорорганическим соединениям особи колорадского жука в ряде районов Республики Башкортостан были обнаружены уже в 90-х годах XX века (Амирханов, 1995).

Развитие свойств устойчивости у колорадского жука приводит к существенному снижению эффективности химических обработок, которое на практике преодолевается увеличением числа (кратности) обработок и повышением концентрации применяемых препаратов. В результате такого подхода происходит усиление инсектицидной нагрузки на агроэкосистемы, падение качества товарного продукта и закрепление свойств устойчивости в популяциях насекомых.

Альтернативой химическому способу защиты картофеля является создание устойчивых к насекомым-вредителям сортов (Flanders, 1992; Whalon & Wierenga, 1994; Gutierrez-Campos et al., 1999; Abdeen и др., 2005; Rolings et al., 2006). Однако признак устойчивости сорта является относительным и преодолевается в процессе взаимодействия насекомых с растениями. Оптимальным подходом к регулированию численности колорадского жука является, по нашему мнению, использование комплексной системы защиты, включающей химические и биологические методы с учетом особенностей взаимодействия растений и насекомых. Особенно важным в этом плане представляется выявление уровня устойчивости насекомых к инсектицидным препаратам в локальных популяциях, разработка критериев устойчивости растений к насекомым в полевых и лабораторных условиях, выявление физиологических, биохимических, экологических аспектов взаимоотношений растений и насекомых. Следует отметить, что сведения об экологических особенностях

различных популяций колорадского жука, о физиолого-биохимических

механизмах взаимоотношений насекомых и растений в литературе пока немногочисленны (De Leo and Gallerani, 2002; Zavala et al., 2004; Заец, 2008).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является выявление физиологических, биохимических, экологических параметров, определяющих взаимоотношения компонентов в системе «картофель -колорадский жук».

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- определение количественных показателей пищевой привлекательности, заселенности растений насекомыми в зависимости от сортовых особенностей картофеля;

- оценка уровня активности ингибиторов протеиназ колорадского жука у районированных сортов и перспективных селекционных линий картофеля;

- оценка активности протеолитических ферментов личинок колорадского жука при кормлении их растениями различных сортов;

- оценка уровня активности фенолоксидаз, эстераз, протеиназ у личинок колорадского жука при заражении энтомопатогенными грибами;

- определение уровня устойчивости популяций колорадского жука на территории РБ к различным классам инсектицидов;

- установление уровня генетического полиморфизма локальных популяций колорадского жука, различающихся по устойчивости к инсектицидам.

Научная новизна.

1. Показана зависимость уровня активности пищевых гидролаз (протеиназ) колорадского жука от особенностей растительной пищи (сортов картофеля), в частности, от содержания ингибиторов протеиназ.

2. Обнаружены сортовые различия в ответных реакциях растений картофеля на повреждение личинками колорадского жука.

3. Показаны различия в степени активности пищеварительных ферментов у особей колорадского жука из локальных популяций, различающихся по параметрам чувствительности к инсектицидам.

4. Выявлена зависимость пищевой активности от уровня устойчивости колорадского жука к инсектицидам.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для усовершенствования методов оценки степени устойчивости сортов картофеля к колорадскому жуку с учетом экологических и биохимических показателей на ранних этапах селекционного процесса.

Оценка уровня чувствительности локальных популяций колорадского жука к инсектицидам, в сочетании с оценкой степени устойчивости сорта, может использоваться при районировании сортов, в процессе производства картофеля и, одновременно, в системе мониторинга резистентности колорадского жука.

Апробация результатов. Результаты диссертации были доложены на Международной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2006); на IX Всероссийском популяционном семинаре «Особь и популяция - стратегии жизни» (Уфа, 2006); на Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007); на Вавиловских чтениях (Саратов, 2007); на Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи» (Улан-Удэ, 2007); на школе-семинаре молодых ученых «Биомика - наука XXI века» (Уфа, 2007); на XXII Любищевских чтениях «Современные проблемы эволюции» (Ульяновск, 2008), на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности растениеводства и животноводства - путь к рентабельному производству» (Казань, 2008), на научно-практической конференции и координационного совещания «Научное обеспечение и инновационное развитие картофелеводства» (Москва, 2008).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 16 печатных работах, в том числе 5 в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований, двух глав с результатами собственных исследований, заключения, выводов, списка цитированной литературы, включающей 196 работ отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 115 страницах и содержит 14 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современные представления о механизмах взаимодействия компонентов системы «растение - насекомое вредитель» (обзор литературы). В главе приведен обзор литературных данных о формировании и проявлении устойчивости растений к насекомым-вредителям. Рассмотрены современные представления о механизмах взаимодействия культурных растений и насекомых-фитофагов, в частности, описаны механизмы преодоления насекомыми защитных барьеров растений. Особое внимание уделено ингибиторам протеолитических ферментов как одному из важных компонентов во взаимоотношениях в системе «картофель - колорадский жук». В этой главе также приведены сведения о способах и методах защиты сельскохозяйственных растений от насекомых фитофагов. Рассмотрены проблемы адаптации насекомых-вредителей к инсектицидам при длительном их использовании.

Глава 2. Объекты и методы исследований. Объектами исследований служили имаго и личинки колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata Say), сорта и линии картофеля (Solanum tuberosum L.). Насекомых собирали на растениях картофеля в Уфимском и Бирском районах Республики Башкортостан. Сорта и линии картофеля в полевых

условиях выращивали по принятой для зоны агротехнике в селекционно-семеноводческом учреждении «Бирское ОПХ БНИИСХ РАСХН». В лабораторных (тепличных) условиях растения выращивали при комнатной температуре и искусственном освещении. Возраст личинок определяли по ширине головной капсулы и размерам тела (Ушатинская, 1981). Сбор колорадского жука проводился с посадок картофеля, по диагональной линии участка через каждые 10-15 метров, по 1-2 экземпляра имаго с куста (Амирханов, 1995). В токсикологических экспериментах по оценке уровня чувствительности насекомых к инсектицидам использовали следующие препараты: пиретроиды (дельтаметрин), фосфорорганические инсектициды (фосмет, малатион), нереистоксины (бенсултап). Оценку чувствительности насекомых к инсектицидным препаратам проводили в полевых и лабораторных условиях по принятым методикам (Сухорученко и др., 1990). Заражение личинок колорадского жука энтомопатогенным грибом Metarhizium anisopliae проводили контактным способом совместно со ст. н. с. лаборатории патологии насекомых ИСиЭЖ В.В. Серебровым. В работе использовался штамм из коллекции Института систематики и экологии животных СО РАН. Белки из гомогената растений и насекомых экстрагировали 0,05 M трис-НС1-буфером, рН-8.0 или дистиллированной водой в соотношении 1:2. Для определения концентрации белка в растворах использовали метод М. Бредфорд (Bradford, 1976). Калибровочную кривую составляли по концентрации а-химотрипсина. Активность протеолитических ферментов и их ингибиторов определяли по гидролизу желатинового слоя фотопластинок (Ибрагимов и др., 2003). Активность эстераз, глутатион-трансфераз и фенолоксидаз определяли по методикам описанным в работе В.В. Сереброва с соавторами (Серебров и др., 2005). ДНК выделяли из живых и фиксированных в 96%-ном этиловом спирте насекомых (Сидоренко и др., 2000), используя модифицированный метод экстракции смесью гуанидинтиоцианат-фенол-хлороформ (Chomczynski, Sacchi, 1987). Амплификацию ДНК проводили методом ПЦР в термоциклере "Циклотерм" (Россия) в 30 мкл реакционной смеси. Все праймеры синтезированы в фирме Синтол (Москва, Россия). Электрофоретическое разделение препаратов ДНК осуществляли в 0.8-2% агарозном геле или же в 5-8% ПААГ в буферной системе, содержащей 40 мМ трис-ацетата рН 7.6 и 1 мМ ЭДТА (Маниатис и др., 1984). Математическую обработку результатов исследований с оценкой достоверности различий средних проводили с помощью программы Excel (Microsoft Office 2003).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 3. Взаимодействие компонентов системы «картофель -колорадский жук».

Уровень активности ингибиторов протеиназ в тканях различных сортов и гибридных линий картофеля и пищевая адаптация личинок LEPTJNOTARSA DECEMLINEAТА SAY. Многие растения синтезируют различные формы ингибиторов ферментов, которые играют весьма важную роль в защите от насекомых и патогенных атак (Ryan, 1990; Jongsma and Bolter, 1997; Ferry et al., 2006). По мнению многих авторов, растительные ингибиторы гидролитических ферментов, это одна из эволюционно успешных стратегий сопротивления действию негативных факторов. Поражение листьев картофеля колорадским жуком или их механическое повреждение вызывают системную индукцию синтеза ингибиторов сериновых протеиназ (Ryan, 1976; Конарев, 2ООО). В плане защиты растений от колорадского жука несомненный интерес представляет исследование ингибиторов ферментов насекомых в тканях районированных и перспективных сортов картофеля. Наши эксперименты показали, что в клубнях и листьях изученных образцов картофеля, выявляются ингибиторы, подавляющие активность протеолитических ферментов личинок колорадского жука (III-IV возраста). Листья растений характеризуются значительно более высокой активностью, чем клубни (рисЛ).

90 ВО 70 60 -3 50 5 40 30 2D 10

-ж- r^l Г*" If г! г 1 rfi Г*1

/ J / / у е? & , / ßf * ßf ßT <o & С*" Сорта и гибридны* линии

Рис.1. Уровень активности ингибиторов протеиназ личинок колорадского жука в клубнях и листьях картофеля.

Примечание: для анализа были взяты клубни (октябрь, 2007) и листья в фазу бутонизации (июль, 2008); левый столбец - клубни, правый столбец - листья. По оси У - ингибиториая активность, ингибиторная единица/грамм биоматериала.

Уровень активности ингибиторов в органах растений Сильно варьирует и в зависимости от сорта. Так, у сортов Башкирский, Луговской и гибридной линии 4281 выявляется высокая активность ингибиторов протеиназ. Клубни и листья сортов Удача, Невский и гибридных линий 4292,4270,4273 характеризуются невысокой ингибиторной активностью.

Ранее были получены сведения, что устойчивость картофеля к колорадскому жуку коррелирует с уровнем антипротеолитической активности. В частности показано, что клубни устойчивых к колорадскому жуку сортов картофеля характеризовались высоким уровнем активности белков, ингибирующих протеииазы личинок этих насекомых (Конарев, 2000; Хабибуллин и др., 2003; Ferry et al., 2006). Можно утверждать, что ингибиторы протеиназ входят в число факторов, определяющих устойчивость картофеля к колорадскому жуку, и уровень их активности и молекулярной гетерогенности в тканях может служить показателями этой устойчивости. В соответствии с этим критерием, к относительно устойчивым к колорадскому жуку были отнесены сорта Башкирский, Луговской и гибридная линия 4281. Сорта картофеля Удача, Невский и гибридные линии 4292, 4270, 4273 с низкой активностью ингибиторов протеиназ, были отнесены к категории восприимчивых сортов.

Известно, что уровень антипротеолитической активности в тканях картофеля определяется сортовыми особенностями (генотипом) и зависит от действия факторов внешней среды на растения. Так, повышение показателя активности ингибиторов трипсина у картофеля происходило при механическом повреждении листьев, при действии температуры, при химическом воздействии (Ryan, 1990; Шпирная и др., 2006). Результаты многих авторов свидетельствуют, что модификация уровня антиферментной активности в тканях является важной частью приспособительных механизмов растительного организма в изменяющихся условиях окружающей среды. В связи с вышесказанным, представляет интерес исследование интенсивности реакции различных сортов картофеля в ответ на поедание листьев колорадским жуком. Наши эксперименты показывают, что изученные сорта картофеля проявляют неодинаковую реакцию в ответ на повреждение колорадским жуком. У устойчивых сортов (Башкирский, Луговской, гибрид 4292) происходит повышение активности ингибиторов ферментов. Особо стоит отметить повышенную реакцию на поедание жуком у сорта Башкирский. В листьях этого сорта антипротеолитическая активность резко повышается на 3 сутки после начала действия фактора и затем остается на высоком уровне (рис. 2). У гибридной линии 4281, которую по показателям ингибиторной активности мы отнесли к относительно устойчивому сорту, на 3-й сутки после повреждения наблюдается незначительное повышение активности ингибиторов. На 10-е сутки в листьях этого сорта определяется высокий уровень антипротеазной активности и различия между опытным и контрольным вариантами отсутствуют. По-видимому, в формировании и проявлении реакций сопротивления этой линии картофеля к повреждению насекомыми большую роль играет не индуцированная, а изначальная (конститутивная) антиферментная активность.

В ответ на поедание листьев у сортов Удача, Невский и гибридной линии 4273 наблюдается слабое повышение уровня ингибиторов на 3 сутки, а на 10 сутки - понижение этого показателя.

сорта и гибридные линии

Рис. 2. Изменение уровня активности ингибиторов протеиназ (субстрат желатин) в листьях различных сортов картофеля при поедании их

колорадским жуком.

Примечание: А - через 3 суток после повреждения; Б - через 10 суток после повреждения: Левые столбцы- неповрежденные листья; правые столбцы -поврежденные листья. По оси У - ингибиторная активность

Таким образом, повреждение листьев картофеля колорадским жуком, вызывает изменение активности ингибиторов протеиназ, что согласуется с данными других авторов (Конарев, Фасулати, 2000, Заец, 2005)

Как видно, при взаимодействии растения и насекомого имеет место влияние насекомых на метаболические процессы растений. Вероятно, что растительный организм также может оказывать влияние на протекание биохимических (физиологических) процессов в организме насекомого.

Несомненно, что уровень активности пищеварительных гидролаз насекомых будет определяться и особенностями растения, в частности, степенью перевариваемое™ пищевого субстрата. Как известно, перевариваемость и усвояемость белкового субстрата в значительной степени зависит от содержания ингибиторов, подавляющих активность соответствующих пищеварительных ферментов.

Нами показано, что при кормлении личинок колорадского жука листьями различных сортов картофеля уровень активности протеолитических ферментов в кишечном тракте насекомых зависит от сорта и его изменения могут служить одним из критериев устойчивости сортов к повреждению. Так, на 3-й сутки кормления листьями сорта Невский, гибрида 4273 выявляется высокая активность протеиназ кишечного тракта, а на 10 сутки отмечается достоверное снижение их уровня. При питании личинок сортами Луговской, Башкирский и гибридами 4270, 4281 на 3-й сутки определяется относительно невысокий уровень протеолитической активности, который к 10 суткам повышается на 30 - 50% (рис. 3).

2 1,8 1.6 1,4

5 1.2

ш 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

„II;. 1

.У ./

Й-

Сорта и гибредные линии

s ^ ^

Рис. 3. Активность протеиназ личинок колорадского жука при выращивании на различных сортах картофеля.

Примечание: левые столбцы - на 3 сутки, правые столбцы — на 10 сутки кормления. Контроль - уровень активности протеиназ до кормления.

Как видно, переваривание тканей восприимчивых сортов картофеля (с низким содержанием ингибиторов) насекомыми происходит на относительно низком уровне протеолитической активности. Наоборот, питание насекомых листьями устойчивых сортов (с высоким содержанием ингибиторов) стимулирует, по-видимому, и высокий уровень активности протеиназ в кишечнике. Известно, что высокая ингибиторная активность затрудняет переваривание и усвоение пищевого субстрата, вследствие чего, в метаболизме насекомых происходят изменения, снижающие эффективность действия ингибиторов. В частности показано, что при

высоком содержании в пищевом субстрате ингибиторов насекомые способны использовать различный набор протеолитических ферментов (Volpicella et al. 2003; Gruden et al. 2004; Liu et al. 2004; Moon et al. 2004; Bayes et al. 2005;).

Таким образом, уровень активности ингибиторов протеиназ колорадского жука в органах картофеля может служить показателем пищевой доступности субстрата для питания и развития вредителя. Соответственно, этот показатель может быть использован в селекции для предварительной оценки уровня устойчивости картофеля к насекомым на ранних этапах селекционного процесса.

Анализ количественных показателей заселенности колорадского жука на различных сортах и гибридных линий картофеля. Как известно, колорадский жук является специализированным вредителем, способным питаться различными видами растений семейства пасленовых. Общую широту пищевой специализации колорадского жука, или его гостальную специфичность отражает принятое деление пасленовых растений на 2 группы по степени их пригодности для питания фитофага. К первой группе относят растения, обеспечивающие полноценное питание и развитие всех фаз жука и нормальное размножение имаго (картофель, томаты). Ко второй группе относятся растения, обеспечивающие полный жизненный цикл лишь некоторой части особей или временное питание насекомых (дикие пасленовые) (У шатинская, 1981).

Наши исследования показывают, что жук проявляет не только выраженную межвидовую, но внутривидовую избирательность, т.е. избирательность по отношению к различным сортам и линиям картофеля. Нами показано, что избирательность насекомых, и соответственно, признаки устойчивости/восприимчивости растений начинают проявляться уже на самых ранних этапах взаимодействия насекомых и растений: на стадии заселения, кладки яиц и развития личинок. Как видно из таблицы 1, на листьях устойчивых сортах наблюдалось небольшое число кладок яиц, и соответственно, невысокий уровень заселенности этих растений личинками насекомых. В то же время у восприимчивых растений данные показатели были значительно выше, соответственно, потери массы листьев от поедания насекомыми достигали 10-20% от контроля. Из таблицы видно, что показатели пищевой привлекательности и заселенности положительно коррелируют с уровнем антипротеазной активности в листьях. Уровень активности ингибиторов протеаз жука в листьях устойчивых (плохо заселяемых насекомыми) сортов значительно (в два и более раз) выше, чем в листьях восприимчивых сортов. У этих сортов повреждаемость листьев личинками насекомых была в 2-4 раза ниже, чем у восприимчивых сортов и гибридов. При этом у гибрида 4281 повреждаемость листьев практически отсутствовала.

Таблица 1

Показатели уровня активности ингибиторов протеиназ и заселенности колорадского жука на листьях картофеля сортов с различной устойчивостью.

' Сорт картофеля 1 Устойчивость к колорадскому жуку и я О а Количество экземпляров на 1 растение Повреждаемость (% потери массы листьев) Урожайность за 2008г.

Активность ингибиторов протеиназ личм | колорадского ж; (Е/г массы) 1 имаго кладки личинки Ш-1У

Ц\га

Башкирский X 75±0,4 1,9±0,8 2,4±0,6 4,8±1,6 3 320,7

1 Гибрид ! 4281 1 X 72±0,3 1,4±0,2 1,3±0,3 3,5±1,4 0 230,0

та о ■х У О) о >> У 65±0,3 3,51-0,9 3,3±1,7 8,7±1,5 5 199,2

1 Гибрид 4270 X 29±0,3 8,1±1,7 7,5*1,8 16,7±1,8 10 109,3

Гибрид I 4292 X 60±0,4 7,2±2,6 5,6±1,5 14,9±1,6 20 219,5

Гибрид 4273 X 36±0,3 7,8±1,7 7,7±1,8 18,9 ±2,1 19 166,7

1 Удача НУ 31 ±0,2 10,8±1, 2 8,5±2,9 25,8±2,7 11 210.8

Невский СУ 39±0,3 9,4±1,0 7,5±1.8 24.2±2,6 21 198,7

Примечание. Полевые эксперименты проводились в условиях Бирского ОГ1Х Башкирского НИИ сельского хозяйства РЛСХ11. В таблице приведены средние значения в расчете на 1 растение из выборки, состоящей из 20 растений. У-

устойчивый; НУ- неустойчивый; СУ - среднеустойчивые; х - устойчивость к колорадскому жуку не определена.

Таким образом, растения с высоким содержанием ингибиторов (сорта Башкирский, Луговской и гибрид 4281) оказались менее привлекательными для заселения насекомыми, выживаемость насекомых на них была очень низкой. Сорта Удача, Невский и новые селекционные образцы (гибриды 4270, 4292, 4273) с низким уровнем антипротеолитической активности оказались более привлекательными для заселения и развития насекомых. Аналогичная закономерность была выявлена и в отношении проволочников. Рядом авторов показано, что проволочники питавшиеся на растениях с низким уровнем активности ингибитора трипсинподобной протеиназы или на растениях, у которых он отсутствовал, развивались и росли быстрее, имели лучшую жизнеспособность и продуцировали больше личинок, чем те, которые питались на растениях с высоким уровнем активности этого ингибитора (Jorge et al., 2004).

Как уже отмечалось выше, колорадский жук характеризуется высокой экологической пластичностью и гетерогенностью популяции. Известно также, что эти насекомые способны быстро адаптироваться к новым растительным пищевым субстратам в течение нескольких поколений. Соответственно, устойчивость картофеля будет определяться не только свойствами конкретного сорта, но и зависеть от особенностей доминирующей популяционной группы насекомых (Фасулати, 1998).

Таблица 2.

Пищевая активность личинок колорадского жука 3-4 возраста Уфимской и Бирской выборок по отношению к изучаемым сортам картофеля (% потери

массы листьев за 1-ые сутки).

Сорт картофеля Устойчивость к колорадскому жуку Бирская (резистентная к инсектицидам) Уфимская (чувствительная к инсектицидам)

Луговской 5 2

Башкирский устойчивые 3 1

Гибрид 4281 0 1

Невский 21 6

Удача 11 7

Гибрид 4270 восприимчивые 10 11

Гибрид 4273 19 10

Гибрид 4292 20 12

Примечание: Уровни устойчивости сортов и гибридных лнний определены нами в ходе экспериментов.

Наши эксперименты показывают, что представители внутрипопуляционных выборок насекомых, характеризующихся различной

устойчивостью к инсектицидам, обладают неодинаковой пищевой активностью и способностью к поеданию листьев растений различных сортов (табл. 2). Наиболее агрессивными по отношению к изучаемым сортам картофеля оказались личинки Бирской выборки. За первые сутки питания они поедали 10-20 % изначальной массы листьев восприимчивых сортов. У Уфимской группы особей этот показатель не превышал 12 %. Устойчивые сорта растений обеих выборок насекомыми повреждались незначительно. Следует отметить, что гибридная линия 4281 совсем не повреждалась личинками Бирской выборки.

По нашему мнению, отбор устойчивых особей колорадского жука в результате использования инсектицидов сопровождается повышением адаптивного потенциала вида, что проявляется, в частности, в увеличении степени пищевой активности.

Глава 4. Экологическая и биохимическая характеристика выборок из локальных популяций колорадского жука на территории Республики Башкортостан

Адаптационный полиморфизм и экологическая пластичность колорадского жука, как наиболее значимые показатели в формировании резистентности. Система защиты картофеля от колорадского жука включает агротехнические приемы, биологические, химические и физические методы. Химический метод до сих пор остается самым эффективным, легко доступным и рентабельным, и соответственно, широко распространенным. С момента появления колорадского жука на территории России 1958 г. (Ушатинская, 1981) по настоящее время для защиты посевов картофеля от этого вредителя использовалось и используется большое число препаратов, относящихся к различным классам химических веществ. В настоящее время наиболее широко используются пиретроиды, фосфорорганические соединения, фенилпиразолы, нереистоксины, неоникотиноиды. Многолетнее, в большинстве случаев, бессистемное использование хлорорганических, фосфорорганических соединений, пиретроидов, привело к развитию признака устойчивости насекомых к отдельным препаратам. Логично предположить, что процессы формирования устойчивости насекомых к инсектицидам определяются химическими свойствами систематически используемого (доминирующего) препарата, механизма его действия, норм расхода, сроков и кратности обработок. В силу этих причин, отдельные группы особей насекомых, обитающие на различных территориях (локальных популяциях), должны характеризоваться неодинаковой степенью устойчивости к тому или иному препарату. В связи с этим представляет научный и практический интерес исследование токсикологических, биохимических, генетических характеристик территориально разделенных локальных популяций колорадского жука, испытывающих неодинаковую степень инсектицидной

нагрузки. В качестве моделей нами были выбраны две группы насекомых, локализованных на территории Бирского и Уфимского районов Республики Башкортостан, находящихся в различных природно-климатических условиях и различающихся по интенсивности инсектицидной нагрузки. Бирская локальная популяция насекомых подвергалась интенсивной, ежегодно 2-3 -кратной обработке современными препаратами (пиретроиды) в течение последних 10 лет. Уфимская локальная популяция (территория садоводческого кооператива, д. Базилеевка) насекомых обрабатывалась инсектицидами не систематически, каждый год различными типами препаратов. В таблице 3 представлены результаты лабораторных опытов по определению степени чувствительности насекомых к инцектицидным препаратам различных классов.

Таблица 3

Уровень смертности (%) имаго и личинок колорадского жука при обработке различными инсектицидами (2007 г), диагностические

концентрации.

Выборка Препарат Классы Имаго Личинки Ш-1У

« я и Моспилан Неоникотиноиды 99,5± 0,4 100

Актара Неоникотиноиды 100 100

а я 2 1 К Децис Пиретроиды 65,3± 2,3 73,4±4,1

>. Актеллик ФОС 15,1 ±2,9 32,3±2,1

Регент Фенилпиразолы 100 100

Моспилан Неоникотиноиды 57,3±4,5 87,5±2,5

К 1 о. Актара Неоникотиноиды 83,2±5,9 100

« Децис Пиретроиды 50,1±1,8 57,5±7,5

и а О, и Актеллик ФОС 5,2±1,3 15,2±2,3

Регент Фенилпиразолы 100 100

Банкол* Нереистоксины 70,3±3,4 52,4±2,4

Примечание: * - личинки и имаго (по 50 экз. в каждом варианте) кормили листьями картофеля, обработанными растворами препарата. Показатели смертности определяли через 72 часа. Диагностическая концентрация - концентрация смертельная для 95% обработанных насекомых х2).

Как видно, взрослые насекомые и личинки этих выборок значительно различаются по показателям чувствительности/устойчивости по отношению к различным химическим соединениям. Большие различия между насекомыми двух локальных популяций выявлены по показателям устойчивости к фосфоорганическим соединениям и пмретроидам. Так, применение актеллика приводит к гибели 15% имаго и 32% личинок уфимской группы насекомых. В бирской популяции эти показатели составляют, всего лишь 5 и 15%, соответственно, т.е. степень устойчивости

этих насекомых к актеллику в 2-3 раза выше, чем у насекомых уфимской выборки. Если доля погибших особей личинок в уфимской группе, при использовании дедиса, составила 73%, в бирской группе этот показатель значительно ниже (57%). Из представленных данных видно, что насекомые Бирской группы, в отличие от представителей уфимской выборки, обладают устойчивостью и к препаратам последних поколений - неоникотиноидам, нереистоксинам. Абсолютный показатель чувствительности (100% - ая смертность) у имаго и личинок обоих выборок выявлена только к регенту (феннлпиразол), внедренному в практику только в 2004 году. В целом, имаго и личинки уфимской выборки проявили более высокую степень чувствительности ко всем типам примененных препаратов, чем насекомые из Бирского района. Различные показатели устойчивости у насекомых, обусловлены, по нашему мнению, следующими факторами: использование различных препаратов, различная интенсивность, длительность, кратность, регулярность применения пестицидных обработок на территории выборок. Наши данные показывают, что количество и системность обработок в Бирском опытном хозяйстве БНИИСХ значительно выше, чем на территории садоводческих хозяйств в Уфимском районе. Особо необходимо отметить появление устойчивости у особей бирской выборки к относительно новому препарату моспилану (класс неоникотиноидов), который начал применяться на территории РБ лишь с 2003 года. Полученные нами данные свидетельствуют о том, что длительная обработка инсектицидами определенного класса представляет своего рода фактор отбора насекомых на устойчивость к химическим препаратам. Результатом этого отбора является элиминация чувствительных к инсектициду особей, увеличение доли устойчивых насекомых, и, соответственно, повышение гетерогенности популяции колорадского жука по признаку устойчивости к тем или иным классам инсектицидов. По-видимому, такая «химическая селекция» приводит к появлению групп особей насекомых (локальных популяций), обладающих не только специфической устойчивостью, но и повышенным уровнем неспецифической (общей) резистентности к химическим соединениям. Можно предположить, что представители этих локальных популяций будут иметь определенные генотипические и фенотипические различия.

Для оценки возможных различий в уровне полиморфизма генов представителей чувствительной (уфимская) и резистентной (бирская) локальных популяций колорадского жука, нами использован метод RAPD-PCR анализ. Предварительно были экспериментально подобраны три 10-ти звенных праймера, дающих стабильно воспроизводимые результаты при амплификации с полиморфной ДНК колорадского жука. На рисунке 4 приведены результаты гель-электрофореза после RAPD-PCR (randomly

amplificated polymorphic districts-poliraerase chain reaction) ДНК имаго колорадского жука из уфимской и бирской выборок.

Праймер1 Праймер 2 ПраймерЗ

1234567 8 9 10 1 234 56 789 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ИНГ ЛДедг'-и- ■ 1; шштшмшт i ips ■ . -i ; У. :.:! : ■ 'i : I ШШтМ'- . '

- •

1 1

Рис. 4. Электрофорез в 5% ПААГ ампликонов полиморфной ДНК имаго колорадского жука после ЯАРО-РСИ анализа с праймерами 1,2,3.

Примечание: Дорожки: 1-5 -уфимская локальная популяция, 6-10 - бирская локальная популяция. Каждая дорожка представлена одним образцом насекомого.

Видно, что все RAPD-маркеры проявляются в обеих выборках с той или иной частотой. По крайней мере, делать выводы о том, что какой-либо RAPD-фрагмент является маркером резистентности или чувствительности, на основе данных по двум популяциям не представляется возможным. Поскольку RAPD-маркеры являются доминантными, использовать стандартные показатели популяционной генетики (например, генетическую дистанцию, определяемую по формуле М. Нея (1976)) не представляется возможным. В связи с этим, на основе выявленных частот проявления ампликонов, нами проведена оценка уровня полиморфизма ДНК (биоразнообразия) каждой популяции с использованием коэффициента Шеннона-Уивера (Chalmers, 1992). Как видно из рис. 5, показатель уровня разнообразия ДНК у представителей уфимской локальной популяции (1,102) существенно выше чем в бирской популяции (0,95). Как отмечалось, уфимская локальная популяция более чувствительна к ряду инсектицидов, чем бирская выборка. Логично предположить, что снижение уровня генетического разнообразия в бирской популяции произошло под влиянием длительных интенсивных обработок инсектицидами. Жесткое постоянное действие химического фактора явилось причиной быстрой элиминации особей с чувствительными генотипами, что, в конечном счете, привело к снижению генетического разнообразия в резистентной популяции. Аналогичные свидетельства снижения уровня генетического разнообразия были получены ранее при исследовании резистентных линий паутинного

клеща (Баринов и др., 2002). По мнению этих исследователей, такое снижение было вызвано гибелью в данных линиях чувствительных особей, т.е. «вымыванию» из генофонда определённых генотипов.

1.15 1,10 1,05 ■ 1,00 0,95 0,90

Рис. 5 . Средний (для трех праймеров) показатель уровня полиморфности ДНК имаго колорадского жука.

Примечание: 1 - уфимская выборка, 2 - бирская выборка; по оси У-уровень биоразнообразия, Н, усл. ед.

Таким образом, инсектицидный пресс на агроэкосистемы представляет собой важный фактор, интенсифицирующий процессы микроэволюции насекомых, в частности, колорадского жука. Об этом свидетельствуют и наши результаты изучения полиморфизма фенотипических признаков колорадского жука.

Методом кластерного анализа частот встречаемости фенов рисунка переднеспинки было показано, что особи из рассматриваемых нами популяций четко делятся на два крупных кластера, в соответствии с уровнями чувствительности к инсектицидам.

Таким образом, по результатам сравнения двух локальных популяций колорадского жука, различающихся по уровню резистентности можно подтвердить сделанные ранее предположения (Удалов, Беньковская, 2006) о снижении уровня разнообразия в резистентных популяциях. Скорее всего, это происходит за счет гибели в резистентных популяциях особей, чувствительных к действию инсектицидов.

Активность ферментов детоксикации у личинок колорадского жука при заражении энтомопатогенными грибами МЕТАЯНШУМ АИ1ЯОРИАЕ (МЕТ8СН.) В процессе изучения взаимоотношений в системе «картофель -колорадский жук» оценивали влияние заражения патогенными грибами рода Метаризиум на активность ферментов детоксикации и пищеварительных гидролаз у личинок колорадского жука, поскольку уже появились данные о высокой вирулентности этого патогена (Серебров и др., 2005). Эксперименты проводились на личинках IV возраста из локальной популяции Бирского района.

Из таблицы 4 видно, что активность ДОФА-оксидазы (дигидроксифениламенин-оксидазы) в гемолимфе угнетена, тогда как

активность основного детоксицирующего фермента - глутатион-Б-трансферазы (ГСТ) во всех образцах тканей повышена.

Таблица 4

Влияние заражения патогенным грибом МеШгЫгтт ашБорНае на ферментативную активность у личинок колорадского жука IV возраста (Е/мг

белка).

Объект незараженные зараженные незараженные зараженные

глутатион-Б-трансфераза эстераза

Кишечник 1,15±0,06 1,21±0,06* 0,77±0,08 0,69±0,05*

Жировое тело 1,60±0,18 1,78±0,08* 1,21±0,17 1,39±0,08*

Гемолимфа 2,46±0,80 2,56±0,19* 2,42±0,75 2,58±0,166*

Протеиназа Фенолоксидаза

Кишечник 53,02±0,12 50,60±0,08* - -

Гемолимфа - - 17,02±3,40 20,44±0,94*

Примечание: Заражение личинок проводили контактным способом водной суспензией порошка (4-107 конидии/мл.), * - Р > 0,95

Следует отметить, что эстеразы в гемолимфе и жировом теле активированы, а в тканях кишечника отмечено подавление их активности. Видимо, это можно считать проявлением реакции организма личинок на токсические метаболиты, выделяемые активизированными спорами гриба в ходе развития микоза. Мы ожидали более выраженного подавления активности пищеварительных гидролаз в тканях кишечника, чем отмеченное нами. Поскольку в данной популяции ранее нами установлен высокий уровень резистентности к спектру инсектицидов, то наблюдаемый эффект может быть следствием общей повышенной устойчивости к токсикантам. Далее для выяснения эффектов влияния изучаемого патогена на жизненные показатели колорадского жука нами были сопоставлены между собой две локальные популяции с отличающимися уровнями и типами резистентности к химическим инсектицидам. Из таблицы 5 видно, что личинки устойчивой популяции характеризуются более высокой активностью этих ферментов в жировом теле, чем представители уфимской популяции.

Активность протеолитических ферментов чувствительных и резистентных локальных групп личинок колорадского жука. Среди молекулярных факторов, обеспечивающих пищевые связи фитофагов с растениями, ключевая роль принадлежит пищеварительным гидролазам (амилазам, протеиназам и т.д.).

Таблица 5

Влияние заражения патогенным грибом Metarhizium anisopliae на ферментативную активность тканей личинок колорадского жука III возраста _(Е/мг белка)_

Объект уфимская выборка бирская выборка

незараженные зараженные незараженные зараженные

глутатион-Б-трансфераза

Кишечник 0,24±0,06 0,29±0,02* 0,22±0,03 0,25±0,01*

Жировое тело 0,25±0,02 0,27±0,02* 0,28±0,01 0,29±0,02*

Гемолимфа 0,14±0,04 0,17±0,01* 0,16±0,06 0,21±0,02*

Эстеразы

Кишечник 0,32±0,05 0,37±0,06* 0,29±0,10 0,19±0,03*

Жировое тело 0,62±0,15 0,77±0,04* 0,72±0,11 0,83±0,20*

Гемолимфа 0,47±0,02 0,54±0,05 0,49±0,02 0,66±0,04

Примечание: через 5 суток после заражения, * - Р > 0,95

В процессе коэволюции с растениями насекомые приобрели наборы пищеварительных гидролаз, в той или иной степени способствующих усвоению питательных веществ из определенных видов растений и их отдельных органов (Дунаевский и др., 1995; Konarev et al., 1999). Особенно ярко специализация и адаптивность пищеварительных ферментативных систем проявляется у колорадского жука. В его кишечнике найдены химотрипсиноподобные и цистеиновые ферменты (Ryan, 1990; Konarev and Fasulati, 1996). Показано, что различные протеиназы кишечного тракта насекомых вредителей, с разной ингибиторной чувствительностью, способны адаптироваться к преодолению ингибиторного барьера растений. Показано, что насекомые способны индуцировать цистеиновые протеиназы нечувствительные к растительным ингибиторам (Bown et al., 1997, 2004; Volpicella et al., 2003; Gruden et al., 2004; Bayes et al., 2005; Chougule et al., 2005).

Ранее было показано, что по мере развития и роста личинок насекомых уровень активности протеиназ в тканях кишечника возрастала, коррелируя с количеством потребляемого белка. Наибольшая протеолитическая активность характерна для I1I-1V возраста личинок

колорадского жука (Хабибуллин и др., 2003). В этом плане весьма интересно было бы сравнение динамики изменения протеолитической активности в тканях кишечника личинок насекомых, обладающих различной устойчивостью к инсектицидам.

ИЕ/г

40 35 30 -25 20 -15 -10 5 О

хлп

I II III

стадии развития насекомого

Рис. 6. Активность желатингидролизующих протеиназ в кишечнике личинок колорадского жука, различающихся по чувствительности к инсектицидам, на различных стадиях развития Примечание: левые столбцы - чувствительная популяция, правые столбцы -резистентная популяция.

На рисунке 6 приведены данные об изменении желатингидролизующей активности в кишечнике личинок насекомых двух модельных выборок по мере их роста и развития. Как видно, устойчивые и чувствительные насекомые на ранних стадиях развития характеризуется одинаковым уровнем протеолитической активности в кишечнике. Личинки устойчивой популяции в III - IV возрасте обладают более высокими показателями протеолитической активности, чем восприимчивые насекомые. Логично предположить, что высокий уровень протеолитической активности в кишечнике повышает эффективность усвоения пищевого субстрата насекомыми и, таким образом, способствует выживанию таких особей.

Таким образом, показатель активности пищеварительных гидролаз определяет уровень агрессивности колорадского жука по отношению к пищевым субстратам, и соответственно, является важным биохимическим критерием экологической адаптации этих насекомых.

Выводы:

1. Выявлена положительная корреляция между уровнем активности ингибиторов протеиназ в тканях исследуемых сортов картофеля и параметрами их устойчивости к колорадскому жуку (повреждаемость листьев, заселяемость и плодовитость насекомых).

2. Обнаружены сортовые различия в ответных реакциях растений на повреждение (поедание) личинками колорадского жука. У устойчивых сортов выявляется повышение уровня ингибиторной активности, у среднеустойчивых и неустойчивых активность ингибиторов не изменяется или снижается.

3. Установлено, что локальные популяции колорадского жука имеют различия по биолого-экологическим параметрам. Показатели пищевой активности, плодовитости у насекомых бирской локальной популяции на 20 - 40 % выше, чем у представителей уфимской локальной популяции. Уровень пищевой агрессивности насекомых зависит от активности пищеварительных гидролаз кишечника.

4. Обнаружены различия по уровню чувствительности насекомых к инсектицидам из классов ФОС, пиретроидов, неоникотиноидов, нереистоксинов между двумя исследуемыми популяциями. Имаго и личинки из бирской популяции оказались более устойчивы (в 2-3 раза) к воздействию этих инсектицидов, чем представители уфимской популяции. К новому инсектициду из класса фенилпиразолов устойчивость не выявлена: уровень смертности в обеих популяциях составляет 100%.

5. Показано, что увеличение степени устойчивости насекомых к инсектицидам сопровождается снижением генетического разнообразия популяции. Уровень генетического полиморфизма насекомых в бирской локальной популяции на 18% ниже аналогичного показателя уфимской популяции.

6. Установлено, что заражение личинок колорадского жука патогенным грибом Ме1агЫгтт атяорИае приводит к изменению уровня активности ферментов детоксикации. Активность ДОФА-оксидазы в гемолимфе снижается, активность глутатион-8-трансферазы - повышается. Личинки устойчивой локальной популяции характеризуются более высокой активностью этих ферментов в жировом теле, чем представители чувствительной локальной популяции.

7. Предложены новые подходы к оценке устойчивости картофеля к колорадскому жуку, основанные на учете биохимических, физиологических и экологических параметров растений и насекомых. В соответствие с этими критериями определены показатели устойчивости районированных и перспективных сортов картофеля. К устойчивым сортам отнесены сорта Башкирский, Луговской, гибрид 4281; к среднеустойчивым - гибриды 4270, 4273,4292; к неустойчивым - сорта Удача и Невский.

Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Шпирная И.А., Ибрагимов Р.И., Умаров И.А. Подавление активности гидролитических ферментов личинок колорадского жука растительными белками // Вестник Башкирского государственного университета. - 2006. -№3. - С.49-52.

2.Шпирная И.А., Умаров И.А., Шевченко Н.Д., Яхин О.И, Ибрагимов Р.И. Стимулирование естественных механизмов устойчивости в тканях картофеля под влиянием биорегуляторов // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2007. - №75. - С. 38-42.

3.Умаров И.А., Марданшин И.С., Беньковская Г.В., Ибрагимов Р.И. Эколого-физиологическая характеристика резистентных и чувствительных к инсектицидам популяций колорадского жука на Южном Урале // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2007. - №75. - С.72-74.

4. Умаров И.А., Саляхова А.Ф., Марданшин И.С., Ибрагимов Р.И. Изменение активности протеиназ, их ингибиторов при взаимодействии картофеля и колорадского жука // Аграрная Россия, спец. вып. - 2009. - С. 66

5.Шпирная И. А., Умаров И. А., Шевченко Н.Д., Ибрагимов Р.И. Определение активности гидролаз и их ингибиторов по гидролизу субстрата в геле агарозы // Прикладная биохимия и микробиология. - 2009. - № 3. - С. 497-501.

Публикации в сборниках и материалах конференций

1. Шпирная И.А., Умаров И.А., Шевченко Н.Д. Подавление активности гидролитических ферментов личинок колорадского жука ингибиторами из растительных тканей // Вятский медицинский вестник. - 2007. - № 4. -С.200-202.

2. Шевченко Н.Д., Шпирная И.А., Ибрагимов Р.И., Умаров И.А. Определение активности эстераз методом агарозных пластин// Материалы Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи». - Улан-Удэ, 2007. - С. 398-399.

3. Шпирная И.А., Умаров И.А., Шевченко Н.Д. Изменение активности ингибиторов гидролаз в растениях картофеля при внешнем воздействии // Материалы школы-семинара молодых ученых «Биомика - наука XXI века». -Уфа, 2007.-С. 148-150.

4. Умаров И.А., Ибрагимов Р.И., Марданшин И.С., Шевченко Н.Д. Пищевая активность колорадского жука на различных сортах картофеля // Материалы конференции, посвященной 120-й годовщине со дня рождения академика Вавилова Н.И.. - Саратов, 2007. - часть 1. - С.202-203.

5. Умаров И.А., Марданшин И.С., Беньковская Г.В., Ибрагимов Р.И. Эколого-физиологические характеристика резистентных и чувствительных к инсектицидам популяций колорадского жука на различных по устойчивости

сортах картофеля // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности растениеводства и животноводства - путь к рентабельному производству». - Казань, 2008. -С.201-205.

6. Шевченко Н.Д., Ибрагимов Р.И., Шпирная И.А., Умаров И.А., Хамадалеев Р.Ф. Активность компонентов системы «Эстеразы - ингибиторы эстераз колорадского жука» в тканях картофеля И Вестник Башкирского государственного университета. - 2008. - №3 (1). - С. 922-925.

7. Умаров И.А., Ибрагимов Р.И., Удалов М.Б., Шпирная И.А. Физиолого-биохимические механизмы формирования устойчивости картофеля к колорадскому жуку // Материалы XXII Любищевских чтений «Современные проблемы эволюции». - Ульяновск, 2008. - Т. 2. - С. 109-114.

8. Умаров И.А., Ибрагимов Р.И., Марданшин И.С. Активность гидролаз и их ингибиторов в формировании устойчивости картофеля к поражению колорадским жуком // Материалы научно-практической конференции и координационного совещания «Научное обеспечение и инновационное развитие картофелеводства». - ВНИКХ им. А.Г. Лорха, Москва, 2008. - Том И. — С.101-107.

9. Умаров И.А., Беньковская Г.В., Удалов М.Б. Оценка влияния заражения энтомопатогенными грибами Metarhizium anisopliae на активность ферментов у личинок колорадского жука // Материалы международной научной конференции «Биология: теория, практика, эксперимент». -Саранск, 2008. - С. 39-40.

10. Удалов М.Б., Lindstrum L., Серебров В.В., Умаров И.А., Никоноров Ю.М., Беньковская Г.В. Микроэволюционные процессы в формирующихся популяциях колорадского жука // материалы XXII Любищевских чтений «Современные проблемы эволюции». - Ульяновск, 2008. - Том 1. - С.249-253.

11. Умаров И.А., Марданшин И.С., Ибрагимов Р.И. Влияние пищевого субстрата из различных сортов картофеля на активность протеолишческих ферментов колорадского жука // материалы Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы сельскохозяйственной науки и практики в современных условиях и пути их решения». - Казань, 2009.-С. 315-318.

Умаров Ильгиз Авазович

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ В СИСТЕМЕ «КАРТОФЕЛЬ—КОЛОРАДСКИЙ ЖУК»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №021319 от 05.01.99 г.

Подписано в печать 08.09.2009 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,49. Уч.-изд. л. 1,55. Тираж 100 экз. Заказ 594.

Редащионно-издательскш центр Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Всшиди, 32.

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Всшиди, 32.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Умаров, Ильгиз Авазович

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ «РАСТЕНИЕ -НАСЕКОМОЕ - ВРЕДИТЕЛЬ»

1.1. Факторы устойчивости растений к насекомым — вредителям.

1.1.1. Роль растительных ингибиторов протеиназ — как одного из важного фактора развития защиты во взаимоотношении системы «картофель - колорадский жук».

1.2. Биохимические адаптации фитофагов к защитным барьерам растении.

1.3. Способы и методы защиты растений картофеля от колорадского жука. 27

1.3.1 Проблема адаптации насекомых - вредителей к инсектицидам. 33

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Биологические объекты исследований и их характеристика.42

2.2. Материалы и реактивы.

2.3. Методы исследований

2.3.1. Методы определения активности протеолитических ферментов.46

2.3.2. Определение активности ингибиторов протеиназ.47

2.3.3. Определение концентрации белка.

2.3.4. Методика проведения токсикологических экспериментов.48 5Q

2.3.5. Выделение тотальной ДНК.

2.3.6. Проведение RAPD - Полимеразной цепной реакции (ПЦР). 50

2.3.7. Электрофоретическое фракционирование ДНК. 51

2.4. Статистическая обработка результатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ «КАРТОФЕЛЬ - КОЛОРАДСКИЙ ЖУК»

3.1. Уровень активности ингибиторов протеиназ в тканях различных сортов и гибридных линий картофеля и пищевая адаптация личинок LEPTINOTARSA DECEMLINEATA. 53

3.2. Анализ количественных показателей заселенности колорадского жука на различных сортах и гибридных линий картофеля.

ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБОРОК ИЗ ЛОКАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ КОЛОРАДСКОГО ЖУКА НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

4.1. Адаптационный полиморфизм и экологическая пластичность колорадского жука, как наиболее значимые показатели в формировании резистентности.

4.2. Активность ферментов детоксикации у личинок колорадского жука при заражении энтомопатогенными грибами METARHIZIUM ANISOPLIAE (METSCH.) и активность протеолитических ферментов чувствительных и резистентных локальных групп колорадского жука. выводы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологические и физиолого-биохимические закономерности взаимоотношений в системе "картофель-колорадский жук""

Картофель является одним из основных продуктов питания человека и соответственно, одним из широко возделываемых культур на планете. Мировое производство этого продукта сельского хозяйства составляет до 33-35 млн. тонн в год. Острой проблемой картофелеводства в нашей стране остается защита посевов от его опасного вредителя - колорадского жука.

До недавнего времени казалось, что для решения этой проблемы достаточно рационального использования химических средств защиты растений — инсектицидов (Сухорученко, 1990). Однако систематическое использование инсектицидов в течение относительно короткого периода времени (около 30 лет) уже привело к развитию устойчивых к препаратам популяций насекомых (Леонтьева и др., 2006). В частности,, заселение территории республики Башкортостан (РБ) колорадским жуком проходило в период с 1976 по 1979 годы (Мигранов, 1990; Амирханов, 1995). Устойчивые к фосфорорганическим соединениям особи колорадского жука в ряде районов РБ были обнаружены уже 90-х годах 20 века (Амирханов, 1995).

Развитие устойчивости у колорадского жука приводит к существенному снижению эффективности химических обработок, которое на практике преодолевается увеличением числа (кратности) обработок и повышением концентрации применяемых препаратов. В результате такого подхода происходит усиление инсектицидной нагрузки на агроэкосистемы, падение качества товарного продукта, и закрепление свойств устойчивости в популяциях насекомых.

Альтернативой химическому способу защиты картофеля является создание устойчивых к насекомым-вредителям сортов (Flanders, 1992; Whalon end Wierenga, 1994; Gutierrez-Campos et al., 1999; Abdeen et al., 2005; Rolings et al., 2006). Однако признак устойчивости сорта является относительным и преодолевается в процессе взаимодействия насекомых с растениями. Оптимальным подходом к регулированию численности колорадского жука является, по нашему мнению, использование комплексной системы защиты, включающей химические и биологические методы с учетом особенностей взаимодействия растений и насекомых. Особенно важным в этом плане представляется выявление уровня устойчивости насекомых к препаратам в локальных популяциях, разработка критериев устойчивости растений к насекомым в полевых и лабораторных условиях, выявление физиологических, биохимических, экологических аспектов взаимоотношений растений и насекомых. Следует отметить, что сведения об экологических особенностях различных популяций колорадского жука, о физиолого-биохимических механизмах взаимоотношений насекомых и растений в литературе пока немногочисленны (De Leo and Gallerani, 2002; Zavala et al., 2004; Заец 2008).

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- оценка уровня активности фенолоксидаз, эстераз, протеиназ в личинках колорадского жука при заражении энтомопатогенными грибами

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Умаров, Ильгиз Авазович

Выводы:

6. Установлено, что заражение личинок колорадского жука патогенным грибом Metarhizium anisopliae приводит к изменению уровня активности ферментов детоксикации. Активность ДОФА-оксидазы в гемолимфе снижается, активность глутатион-Б-трансферазы - повышается. Личинки устойчивой локальной популяции характеризуются более высокой активностью этих ферментов в жировом теле, чем представители чувствительной локальной популяции.

7. Предложены новые подходы к оценке устойчивости картофеля к колорадскому жуку, основанные на учете биохимических, физиологических и экологических параметров растений и насекомых. В соответствие с этими критериями определены показатели устойчивости районированных и перспективных сортов картофеля. К устойчивым сортам отнесены сорта Башкирский, Луговской, гибрид 4281; к среднеустойчивым - гибриды 4270, 4273, 4292; к неустойчивым - сорта Удача и Невский.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Умаров, Ильгиз Авазович, Уфа

1. Амирханов Д.В. Биолого-токсикологическое обоснование совершенствования химической защиты картофеля от колорадского жука на Южном Урале // Автореферат диссертации. доктора биологических наук. Санкт-Петербург. 1995. 48 с.

2. Бенкен И.И., Мосолов В .В., Федуркина Н.В. Влияние ингибиторов протеиназ фасоли на фитопатогенные грибы // Микология и фитопатология. 1976,- Т. 10, №3. С.198-201.

3. Беньковская Г.В. Биологическое обоснование примененния ингибитеров синтеза хитина для контроля численности колорадского жука в предуралье Башкирии // Автореферат диссертации. кандидата биологических наук. Ленинград. 1990. 18 с.

4. Валуев И.Л., Сытов Г.А., Валуев Л.И., Валуева Т.А., Ульянова М.В., Платэ Н.А. Ингибиторы протеолитических ферментов в терапии сахарного диабета. Вопросы медицинской химии. -2001.- Т.47. № 1. С. 132-139.

5. Валуева Т. А., Ревина Т.А., Мосолов В. В. Белки-ингибиторы протеиназ из клубней картофеля, относящиеся к семейству соевого ингиибтора Кунитца // Биохимия.- 1997.- Т. 62, № 12. С. 1600-1608.

6. Валуева Т.А., Зимачева А.В., Мосолов В.В. Локализация трипсинсвязывающего центра в молекуле ингибитора сериновых протеиназ // Докл. АН СССР. 1977. - Т. 237, № 6. - С. 1513-1516.

7. Валуева Т.А., Мосолов В.В. Белки ингибиторы протеолитических ферментов у растений// Прикладная биохимия и микробиология.-1995,- Т. 31. №6 , С.579-589.

8. Валуева Т.А., Мосолов В.В. Роль ингибиторов протеолитических ферментов в защите растений от патогенных микроорганизмов // Биохимия.-2004.-Т.69 вып. 11.-С. 1600-1606.

9. Валуева Т.А., Мосолов В.В. Роль ингибиторов протеолитичсеких ферментов в защите растений // Успехи биологической химии.-2002.-Т.42.-С. 193-216.

10. Валуева Т.А., Мосолов В.В., Григорьева Л.И. Ингибиторы протеиназ из растений как полифункциональные белки. // Прикладная биохимия и микробиология. -2001.-Т. 37. № 6. С. 643-650.

11. Валуева Т.А., Ревина Т.А., Гвоздева Е.Л., Герасимова Н.Г., Ильинская Л.И., Озерецковская О.Л. Влияние элиситоров на накопление ингибиторов протеиназ в пораненных клубнях картофеля. Прикладная биохимия и микробиология. 2001, 37, № 5, 1- 6.

12. Ванюшин БФ. Апоптоз у растений //Успехи биолог, химии.- 2001.- №41. С.3-38.

13. Велобова Е. Н. Переваривание белков. Киев: Гродынец, 1993, 29 с.

14. Воскобойникова Н.Е., Дунаевский Я.Е., Белозерский М.А. Ингибитор металлопротеиназы из покоящихся семян гречихи // Биохимия.- 1990.- Т.55, № 5.-С. 839 847.

15. Гофман Ю. Я., Вайсблай И. М. Определение ингибитора трипсина в семенах гороха. //Прикладная биохимия и микробиология.-1975. Т. 2. №5. - С. 777-783!

16. Грачева'И.М. , Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. М.: "Элевар" 2000. 512 с.

17. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта.- М.: Агропромиздат, 1985.-351с.

18. Дунаевский Я.Е, Павлюкова Е.Б., Белякова Г.А., Белозерский М.А. О физиологической роли ингибиторов протеиназ растений: две группы функционально активных ингибиторов в семенах гречихи// Мол. биол.- 1995. Т. 29. вып.6. С. 1258-1264

19. Дунаевский Я.Е., Белозерский М.А. Эндогенные ингибиторы протеаз как фактор устойчивости растений / Современные системы защиты и новые направления в повышении устойчивости картофеля к колорадскому жуку.- М. Наука, 2000.-С.119-123

20. Дунаевский Я.Е., Цыбина Т.А., Белякова Г.А., Домаш В.И., Шарпио Т.П., Забрейко С.А., Белозерский М.А. Ингибиторы протеиназ как антистрессовые белки высших растений // Прикладная биохимия и микробиология.-2005.-т.41. № 4. С.392-396.

21. Зайцева Е.А., Осипова Т.А. Основные достижения инженерной энзимологии в рамках государственной научно-технической программы «Новейшие методы биоинженерии» // Второй съезд биохим. общества. Мат. конференции. Пущино.-1997.-С. 575.

22. Зимачев А.В., Ивлева Е.В., Мосолов В.В. Выделение и характеристика ингибиторов цистеиновых протеиназ из клубней картофеля // Биохимия.- 1991.-Т.49. № 7. С.1153-1158.

23. Ибрагимов Р.И. Влияние фунгицидов на активность протеиназ и их ингибиторов у пшеницы. // Итоги- научных исследований биологического факультета БашГУ за 1994 г.- Уфа: Баш. ун-т.- 1995. С. 87-88.

24. Ибрагимов Р.И. Внеклеточные протеолитические ферменты rpn6a Fusarium sp. и их ингибиторы из растений //Вестник Башкирского университета. 1997. - № 3 .С. 51-54.

25. Ибрагимов Р.И.1 Подавление активности внеклеточных протеиназ патогенного гриба Fusarium sp. ингибиторами из семян и вегетативных органов растений //

26. Доклады Россельхозакдемии.- 1997.- № 2.- С. 15-17.

27. Ибрагимов Р.И. Содержание ингибиторов протеиназ в семенах сельскохозяйственных- культур // Качество продукции растениеводства и приемы, его повышения.- Уфа: Башгосагроун-т. 1998.- С. 146-149.

28. Ибрагимов Р.И., Сабитов A.M., Яшина И.Н. Изучение активности протеиназ и их ингибиторов у гречихи посевной и гречихи татарской// Вопросы, биотехнологии, Уфа, 1995 .С. 72-78.

29. Ибрагимов Р.И., Хабибуллин С.И., Ахметов P.P. Способ определения' активности протеолитических ферментов. Патент на изобретение № 2175134— 2001

30. Ибрагимов Р.И., Яковлев В.Г., Ахметов P.P. Определение активности ингибиторов в составе комплекса с протеиназой // Физиология и биохимия культурных растений.-1987.- №1 .С.51-54.

31. Ибрагимов. Р.И., Яруллина Л.Г. Изучение протеиназ и их ингибиторов у пшеницы в связи с устойчивостью к корневой гнили //Итоги научных исследований биологического факультета БашГУ за 1995 г.- Уфа: Баш. ун-т.-1996. -С .6.

32. Ивлева Е.В., Руденская Ю.А., Дунаевский Я.Е., Мосолов- В.В. 7,5 кДаингибитор цистеиновых протеиназ из семян тыквы // Биохимия.- 1997.- Т. 62, № 5. С. 644 - 650.

33. Ильинская Л.И., Васюкова Н.И., Озерецковская О.А. Биохимические аспекты индуцированной устойчивости // Итоги науки и техники Сер. Защита растений. Т.7.-М.: ВИНИТИ 1991.- 102 с.

34. Кладницкая Г.В., Валуева Т.А., Домаш В.И., Мосолов В.В. Экзопротеиназы гриба Fusarium sambucinum и их взаимодействие с ингибиторами // Прикл. биохим. и микробиол.- 1994.- Т. 30, вып. 1. С. 21-29.

35. Кладницкая Г.В., Валуева Т.А., Ермолова Н.В. Накопление ингибиторов протеиназ в диффузатах клубней картофеля при инфицировании возбудителем фитофтороза// Физиол. растений. 1996.- Т.43, № 5. - 701 - 706.

36. Колорадский картофельный жук, Leptinotarsa decemlineata Say: филогения, морфология, физиология, экология, адаптация, естественные враги // Ред. Р.А. Ушатинская. М: Наука, 1981.375 с.

37. Конарев А.В. Ингибиторы ферментов как генетические маркеры // Аграрная Россия- 2002, № 3,- С.44-52

38. Конарев А.В. Идентификация ингибиторов тиоловых протеиназ насекомых и зерна у пшеницы и других злаков // Докл. ВАСХНИЛ.- 1984. -№ 10. С. 13-15.

39. Конарев А.В. Изменчивость ингибиторов трипсиноподобных протеиназ у пшеницы и родственных ей злаков в связи с устойчивостью к зерновым вредителям // Сельхоз. биол. -1987.- № 5.- С.17-24.

40. Конарев А. В. Ингибиторы протеиназ и устойчивость картофеля к колорадскому жуку // Современные системы защиты и новые направления в повышении устойчивости картофеля к колорадскому жуку.- М. Наука, 2000.-С.35-40

41. Конарев А.В. Компонентный состав ингибиторов трипсина из зерновки и листьев пшеницы // Докл. ВАСХНИЛ. -1987. -№ 12.- С. 6-9.

42. Конарев А.В. Методы анализа компонентного состава ингибиторов а-амилаз и протеиназ у злаков //Прикл. биохим. и микробиол.- 1985.- Т.21, № 1.- С.92-100.

43. Конарев А.В. Системы ингибиторов гидролаз у злаков организация, функции и эволюционная изменчивость // Автореф. дисс. докт. биол. наук. - М.: 1992.- 38 с.

44. Конарев A.Bi, Вилкова Н;А. Ингибиторы ферментов и иммунитет // Защита растений. -1984.- №40: С. 17-19:

45. Мёлентьев А.И., Ямалеев A.M., Ибрагимов Р.И., Исаев Р.Ф. Сродство к углеводам и. лектиноподобная активность ингибиторов трипсина* из семян пшеницы в связи, с устойчивостью к фитопатогенным: грибам // Сельхоз. биология. 1986:- № 12. - С .52-54:

46. Методы экспериментальной микологии. Справочник. Киев «Наукова думка», 1982-211с.

47. Метлицкий JI.B:, Дьяков:Ю.Т., Озерецковская O.JI. Индукторно-супрессор-ная гипотеза фитоиммунитета // Журнал,общ. биол.-1986.-Т.47.№3.-С.748-758.

48. Мосолов В.В. Белковые ингибиторы, протеолитических ферментов как регуляторы процессов протеолиза.- М.: Наука.-1983:- 40 с.

49. Мосолов В.В. Белки ингибиторы протеаз и а - амилаз у растений (обзор) // Прикл.биохим: и микробиол.- 1995.-Т. 31, №1 С. 5-10.

50. Мосолов- В.В. Ингибиторы, протеолитических ферментов в- растениях // Вопросы мед. химии. 1987.- Т. 336 № 5. - С. 52-56.

51. Мосолов В.В. Протеолитические ферменты. М.: Наука.-1971.- 414 с.

52. Мосолов В.В., Валуева Т.А. Ингибиторы протеиназ и их функции у растений. Прикладная биохимия и микробиология. 2005,41, № 3,261-282:

53. Мосолов В.В., Валуева Т.А. Растительные белковые ингибиторы протеолитических ферментов: М.: ВИНИТИ.-1993.- 207 с.

54. Мосолов* В.В., Колосова Г.В., Валуева Т.А., Дронова JI.A. Ингибитор трипсина из семян гледичии (Gleditsia triacanthos L.) 11 Биохимия 1982. - Т. 47, № 5.- С. 797-802

55. Мосолов В.В., Валуева Т.А. Ингибиторы протеиназ и их функции у растений // Прикладная биохимия и микробиология.-2005.-т 41 №3.-с.261-282.

56. Практикум по биохимии. Под ред. С.Е.Северина и Г.А.Соловьевой. М., Изд-во МГУ.- 1989.- 508 с.

57. Применение методов биохимии в исследованиях по защите растений (Методические укзания) п/р К.В.Новожилова, С.Л.Тютерева, издательство ВИЗР, Ленинград, 1976 с.61-62

58. Ревина Т.А., Сперанская А.С., Кладницкая Г.В., Шевелев А.Б., Валуева Т.А. Белок-ингибитор субтилизина из клубней картофеля. Биохимия. 2004,69, № 10,1345-1352.

59. Скоупс Р. К. Методы очистки белков. Пер с англ. Антонова В.К. М: Мир.-1985.-358 с.

60. Сперанская А.С., Криницина А.А., Полтрониери П.и др.Ингибиторы протеиназ типа Куница группы В из картофеля: молекулярное клонирование генов//Биохимия.- 2005.- т.70 вып.З.- С.360-369.

61. Тарчевский И.А. Регуляторная роль деградации биополимеров и липидов // Физиология растений.- 1992. Т. 39. № 6.- С. 1215 1223.

62. Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. 2001. Казань. Фэн (Наука). 448 с.

63. Фомичева Ю.В. Пищеварительные а -амилазы и протеиназы насекомых как элемент специфического взаимодействия в системе растение насекомое-фитофаг. С-П6.-1992.- 16 с.

64. Хабибуллин С.И. Активность ингибиторов экзогенных протеиназ в клубнях и листьях картофеля в связи с устойчивостью к колорадкскому жуку. Уфа.-2003.-22 с.

65. Ушатинская Р.С.(ред). Колорадский картофельный жук. Филогения, морфология, физиология, экология; адаптация, естественные враги. М.: Наука. 1981. 377 с.

66. Элпидина Е.Н., Воскобойникова Н.Е., Белозерский М.А., Дунаевский Я.Е. Обнаружение в белковых телах семян гречихи металлопротеиназы и ее ингибитора//Биохимия.- 1990.- Т.55. № 4. С. 734 -744.

67. Ямалеев A.M., Муксинов В.Х., Исаев Р.Ф. Активность ингибиторов протеаз в семенах пшеницы в связи с устойчивостью к твердой головне // Сельхоз. биол.-1980.- Т. 15. № 1. С.143-144.

68. Яхин И.А., Ибрагимов Р.И.,Яхин О.И., Исаев Р.Ф., Вахитов В.А. Индуцированное действие биопрепарата "Стифун" на накопление ингибиторов трипсина в клубнях картофеля при хранении //Доклады Россельхозакадемии.-1998.-№4.-С. 12-15.

69. Яблоков А. В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. Учеб. для биол. спец. вузов М.: Высш. шк. 2004. 310 с.

70. Яблоков А.В. Популяционная биология. М.: Высшая школа. 1987. 303 с.

71. Яковлев Б.В. Колорадский жук // Рига: Гос.инспек. по карантину с.-х. вредит. МСХ СССР. 1960. 152 с.

72. Abe M., Abe K., Kuroda M., Arai S. Corn kernel cysteine proteinase inhibitor as a novel cystatin superfamily member of plant origin. Molecular cloning and statement studies // Europ J. of Biochemistry.- 1992.- vol. 209. №.3. P. 933-937.

73. Albersheim P., Augur C., Cheong J.J., Eberhard S., Hahn M.G. Oligosaccharins -oligosaccharide regulatory molecules //Accts. Chem. Res.-1992.-V. 25. P. 77-83.

74. Antcheva N., Pintar A., Patthy A., Simoncsits A., Barta A. Proteins of circularly pennuted sequence present within the same organism: The major serine proteinase inhibitor from Capsicum annuum seeds //Protein Science. -2001.-N 10 P. 2280-2290.

75. Benedetti CE, Xie D, Turner JG (ГШ7-dependent expression of an Arabidopsis vegetative storage protein in flowers and- siliques and in* response to coronatine ok methyl jasmonate// Plant Physiol. 1995. - 109:567- c. 572'.,

76. Berenbaum MR Turnabout is fair play Secondary roles for primary compounds // J Chem Ecol. - 1995. - 21. - c. 940.

77. Chang CL Effect of amino acids on larvae and adults of Ceratitis capitata (Diptera: Tephritidae) // Ann Entom'ol Soc Am. 2004. - 97. - c.529-535.

78. Chen H, Gonzales-Vigil E, Wilkerson CG, Howe GA Stability of plant defense proteins in the gut of insect herbivores // Plant Physiol: 2007. - 143. - c.1954-1967.

79. Chen H,McCaig BC,MelottoM, He SY, Howe GA Regulation of plant arginase by wounding, jasmonate, and the phytotoxin coronatine // J Biol Chem. 2004. - 279. -c. 45998^46007.

80. Chen H, Wilkerson CG, Kuchar JA, Phinney BS, Howe GA Jasmonate-inducible plant enzymes degrade essential amino acids in the herbivore midgut // Proc Natl Acad Sci USA. 2005. №102. - c. 19237-19242.

81. Constabel CP, Bergey DR, Ryan CA Systemin activates synthesis of wound-inducible tomato leaf polyphenol oxidase via the octadecanoid defense signaling pathway // Proc Natl Acad Sci USA. 1995. №92. - c. 407-41.

82. Duffey SS, Stout MJ Antinutritive and toxic components of plant defense against insects // Arch Insect Biochem Physiol. 1996. №32. — c. 3-37.

83. Felton GW Nutritive quality of plant protein: sources of variation and insect herbivore responses // Arch Insect Biochem Physiol. — 1996. №32. — c. 107-130.

84. Felton GW Indigestion is a plant's best defense. Proc Natl Acad Sci USA. 2005. №102.-c. 18771-18772.

85. Franceschi VR, Grimes HD (1991) Induction of soybean 1 vegetative storage proteins and anthocyanins by low-level atmospheric methyl jasmonate. Proc Natl Acad Sci USA 88:6745-6749.

86. Gallagher DT, Gilliland GL, Xiao GY, Zondlo J, Fisher KE, Chinchilla D, Eisenstein E Structure and control of pyridoxal phosphate dependent allosteric threonine deaminase // Structure. 1998. №6. - c. 465^475.

87. Gfeller A, Farmer EE Keeping the leaves green above us // Science. 2004. №306. c. 1515-1516.

88. Goldraij A, Polacco JC Arginase is inoperative in developing soybean embryos // Plant Physiol. 1999. №119. c. 297-304.

89. Goldraij A, Polacco JC Arginine degradation by arginase in mitochondria of soybean seedling cotyledons // Planta. 2000. №210. - c. 652-658.

90. Halgand F, Wessel PM, Laprevote O, Dumas R Biochemical and mass spectrometric evidence for quaternary structure modifications of plant threonine deaminase induced by isoleucine // Biochemistry. 2002. №41. - c. 13767-13773.

91. Hildmann T, Ebneth M, Pena-Cortes H, Sanchez-Serrano JJ, Willmitzer L, Prat S General roles of abscisic and jasmonic acids in gene activation as a result-of mechanical wounding // Plant Cell. 1992. №4. - с. 1157-1170.

92. Howe GA Jasmonates as signals in the wound response // J Plant Growth Regul. — 2004. №23.-c. 223-237.

93. John SJ, Srivastava V, Guhamukherjee S Cloning and sequencing of chickpea cDNA coding for threonine deaminase // Plant Physiol. 1995. №107. - c. 1023-1024.

94. Kang JH, Baldwin IT Isolation-and characterization of the threonine deaminase promoter in Nicotiana attenuate //Plant Sci. 2006. №171. - c. 435-440.

95. Kang JH, Wang L, Giri A, Baldwin IT Silencing threonine deaminase and JAR4 in Nicotiana attenuata impairs jasmonic acid-isoleucine-mediated defenses against Manduca sexta II Plant Cell. 2006. №18. - c. 3303-3320.

96. Kessler A, Baldwin IT Plant responses to insect herbivory: the emerging molecular analysis // Annu Rev Plant Biol. -2002. №53. c. 299-328.

97. Konno K, Hirayama C, Nakamura M, Tateishi K, Tamura Y, Hattori M, Kohno К Papain protects papaya trees from herbivorous insects: role of cysteine proteases in latex // Plant J. 2004. №37. - c. 370-378.

98. Leelapon O, Sarath G, Staswick PE A single amino acid substitution in soybean VSP alpha increases its acid phosphatase activity nearly 20-fold // Planta. 2004. №219.-c. 1071-1079.

99. Liu YL, Ahn JE, Datta S, Salzman RA, Moon J, Huyghues-Despointes B, Pittendrigh B, Murdock LL, Koiwa H, Zhu-Salzman К Arabidopsis vegetative storage protein is an anti-insect acid phosphatase // Plant Physiol. — 2005. №139. c. 15451556.

100. Major IT, Constabel CP Molecular analysis of poplar defense against herbivory: comparison of wound- and insect elicitor-induced gene expression // New Phytol. — 2006. №172.-c. 617-635.

101. Mohan S, Ma PWK, Pechan T, Bassford ER, Williams WP, Luthe DS Degradation, of the S. frugiperda peritrophic matrix by an inducible maize cysteine protease // J Insect Physiol. 2006. №52. - c. 21-28. *

102. Mori M, Gotoh T Arginine metabolic enzymes, nitric oxide and infection // J Nutr. 2004 №134. - c. 2820S-2825S.

103. Pechan T, Cohen A, Williams WP, Luthe DS Insect feeding mobilizes a unique plant defense protease that disrupts the peritrophic matrix of caterpillars // Proc Natl Acad Sci USA. 2002. №99. - c. 13319-13323.

104. Perkins MC, Woods HA, Harrison JF, Elser JJ Dietary phosphorus affects the growth of larval Manduca sexta II Arch Insect Biochem Physiol. 2004. №55. - c. 153-168.

105. Perozich J, Hempel J, Morris SM Jr Roles of conserved residues in the arginase family II Biochim Biophys Acta. 1998. №1382. - c. 23-37.

106. H. Chen et al. Samach A, Broday L, Hareven D, Lifschitz E (1995) Expression of an amino acid biosynthesis gene in tomato flowers: developmental upregulation and MeJa response are parenchyma-specific and mutually compatible. Plant J 8:391-406.

107. Satriano J Arginine pathways and the inflammatory response: interregulation of nitric oxide and polyamines: review article // Amino Acids. 2004. №26. - c. 321-329.

108. Schilmiller AL, Howe GA Systemic signaling in the wound response // Curr Opin Plant Biol. 2005. №8. - c. 369-377.

109. Sekowska A, Danchin A, Risler JL (2000) Phylogeny of related functions: the case ofpolyamine biosynthetic enzymes. Microbiology 146:1815-1828.

110. Maskos K.,' Wunderlich M., Glockshuber R. RBI, a one-domain alpha-amylase/trypsin inhibitor with completely independent binding sites (Eleusine coracana Gaertneri) // FEBS Lett. -1996.- V. 397. P. 11-16.

111. Micola J., Suolinna E. Purification and properties of an inhibitor of microbial alkaline proteinases //Arch. Biochem. and Biophys.-1971.- V.144. № 2. P.566-575.

112. Mosolov V., Loginova M., Fedurkina L., Benken I. The biological signiticance of proteinase inhibitors in plants // Plant Sci. Lett.- 1976.- V.7, № 2. P. 77-80.

113. Miintz K., Shutov A.D. Legumains and their functions in plants // Trends in Plant Science. 2002.-№7. P. 340-344.

114. Mundy J., Hejgaard J, Svendsen I. Characterisation of a bifimctional wheat inhibitor of endogenous a-amilase and subtilisin //FEBS Letters. 1984.- V. 167.137. №2.-P. 210-215.

115. Nagasue A., Fukamachi H., Ikenaka H., Funatsu C. The amino acid sequence of barley rootle tiypsin inhibitors // Agric.Biol.Chem.-1988.-V.52.№ 6. P.1505-1514.

116. Norioka N., Hara S., Ikenaka Т., Abe J. Distribution of the Kunitz and the Bowman-Birk family proteinase inhibitors in leguminous seeds// Agric Biol Chem 1988.- № 52. P. 1245-1252.

117. Odani S., Koide Т., Ono T. Purification and characterisation of proteinase inhibitors from Phaseolus angularis // J.Biochem.- 1986.-V.100, N 4.- P. 975-983.

118. Odani, S., Ikenaka, T. The amino acid sequences of twoi soybean double-headed proteinase inhibitors and evolutionary considerations om the legume proteinase inhibition; Journal of Biochemistry, September 1976. V.80. № 3. P. 641-643.

119. Odani, S., Koide, Т., Ono T. The complete amino acid sequence of barley trypsin inhibitor // Journal of Biol.Cheinistry.-1983.-V.258. № 13. P. 7998-8003

120. Otlewski J., Sywula A., Kolasinski M., Krowarsch D. Unfolding kinetics: of bovine trypsinogen // Eur J Biochem.-1996.- V. 242. P. 601-607.

121. Paulot- V., Holzer: F.M., Walling L.E. Differentionals expression-' of tomato proteinse inhibitor I and II genes during pathogen invasion and wounding // Molecular Plant-Microbe Interaction.- 1991.- V. 4. № 3. P. 284-292.

122. Pearse G., Johnson S., Ryan С.Л. Purification and- characterisation from tobacco (Nicotian tabacum) leaves of six small, wound-inducible isoinhibitors of the potato inhibitor Ilifamily //PlantvPhysiol. 1993.- V. 102, N3.-P. 639-644.

123. Pernas M., Sanchez-Monge R., Salcedo G. Biotic and abiotic stress can induce cystatin expression in chestnut // FEBS Lett. 2000. V. 467. № 3.-P. 206-210:

124. Plunkett G., Senear D.F., Zuroske G., Ryan C.A. Proteinase inhibitors I and II from leaves of wounded tomato plants: purification and properties //Arch.Biochem. Biophys. -1982. V. 213. № 3. P. 463-472.

125. Pompe -Novak M., Poljak-Prijatelj M., Popovi T.,Ttukelj В., Ravnikar M. The impact of potato cysteine proteinases in plant growth and development // Physiol, mol. plant pathol.-2002.-V.60. № 2. P. 71-78.

126. Protempa J., Korzus E., Travis J. The serpin superfamily of proteinase inhibitors: Structure, function and regulation // Journal of Biological Chemistry. -1994.-V. 269. P. 15957-15960.

127. Rasmussen, S. K., Klausen, J., Hejgaard, J., Svensson B. Primary structure of the plant serpin BSZ7 having the capacity of chymotrypsin inhibition // Biochim Biophys Acta.-1996.-V.1297. P. 127-130.

128. Richardson M. Protein inhibitors of enzymes // Food Chem.- 1979.- V. 6. № 3.- P. 325-353 (обзор)

129. Richardson M. The proteinase inhibitors of plants and microorganisms // Phytochemistry.- 1977.- V. 16. № 1.- P. 159-169.

130. Richardson M., Compos F., Xavier-Tilho C. et al. Chymotrypsin inhibitor from potatoes: interactions with target ensymes // Biochem et Biophys. Acta.-1986.- V. 872. № l.P. 184-192.

131. Roberts Т., Marttilla S., Rasmussen S., Hejgaard J. Differential gene expression of suicide-substrate serpin proteinase inhibitors (serpins) in vegetative and grain tissues of barley //Journal of Experimental Botany. -2003.- V. 54. P. 2251-2263.

132. Rodis P, Hoff JE. Naturally occurring protein crystals in the potato. Inhibitor of papain, chymopapain and ficin //. Plant Physiol. -1984.-V. 74. P. 907-911.

133. Ryan С.A. Oligosacharide signalling in plants // Ann. Rev. Cell Biol. 1987. - V. 3, № 2. - P. 243 -245.

134. Ryan C.A. The searh for the proteinase inhibitor-inducing factor, PIIF // Plant Mol. Biol. 1992.- V. 19, № 1. - P. 123-133.

135. Ryan C.A., Kuo Т., Pearce G., Kunkel R. Variability in the consentration of thre heat stable proteinase inhibitor from potato tubers // Am. Potato J.-1976- V. 53. № 12.-P.433-455.

136. Ryan C. A. Defense responses of plants // Plant Gene Research: Genes Involved in Microbe Plant Interactions. -1984,- P. 375-386.

137. Ryan C. A. Protease inhibitors in plants: Genes for improving defenses against insects and pathogens // Ann. Rev. Phytopathol.-1990.- № 28. P. 425-449.

138. Shewry P.R. Tuber storage proteins // Annals of Botany-2003.-V.91.P.755-769

139. Silvermann G.A., Bird P.I., Carrell R.W. The serpins are an expanding superfamily of structurally similar but functionally diverse proteins // Journal of Biological Chemistry. -2001.-V.276. P. 33293-33296.

140. Svendsen I., Hejgaard J., Mundy J. Complete amino acid sequencer of the a-amylase/subtilisin inhibitor from barley // Carlsberg Res. Commun.-1986.- V. 51. P. 141-157.

141. Svendsen I., Iohassen I. Amino dcid sequence homology between a serine protease inhibitor from barley and potato inhibitor I // Biochem. Soc. Trans. 1981.- V. 9.№ 2.-P.265-267.

142. Tashiro M., Asao Т., Hirata C., Takahashi K., Kanamori M. The Complete Amino Acid Sequence of a Major Trypsin Inhibitor from Seeds of Foxtail Millet (Setaria italica)//J Biochem (Tokyo). -1990.- V.108. P. 669-672.

143. Thie N., Houseman J. Identification of cathepsin B, D and H in the larval midgut of Colorado potato beetle Leptinotarsa decemlineata // Insect Biochem. -1990.- V. 20. P. 313-318.

144. Thompson G.A., Schulz A. Macromolecular trafficking in the phloem // Trends in Plant Science. 1999.- № 4. C. 354-360.

145. Turk V., Bode W. The cystatins: protein inhibitors of cysteine proteinases // FEBS Letters.- 1991.-V. 285. P. 213-219.

146. Urwin P.E., Lilley C.J., McPherson M.J., Atkinson H.J. Resistance to both cyst and root-knot nematodes conferred by transgenic Arabidopsis expressing a modified plant cystatin // Plant J. -1997.-V. 12. № 2. P. 455-461.

147. Han Q., Caprio M.A. Evidence from genetic markers suggests seasonal variation in dispersal in Heliothis virescens (Lepidoptera: Noctuidae). // Enviromental entomology. 2004. V.33. Iss.5. P.1223 1231.

148. Thompson G.A., Schulz A. Macromolecular trafficking in the phloem // Trends in Plant Science. 1999.- № 4. C. 354-360.

149. Turk V., Bode W. The cystatins: protein inhibitors of cysteine proteinases // FEBS Letters.- 1991.-V. 285. P. 213-219.

150. Urwin P.E., Lilley C.J., McPherson M.J., Atkinson H.J. Resistance to both cyst and root-knot nematodes conferred by transgenic Arabidopsis expressing a modified plant cystatin // Plant J. -1997.-V. 12. № 2. P. 455-461.

151. Valueva Т., Revina Т., Mosolov V., Mentele R. Primary structure of potato Kunitz-type serine proteinase inhibitor//Biol. Chemistry.- 2000.- V. 381. № 12. P. 1215-1221.

152. Staswick PE (1994) Storage proteins of vegetative plant tissue. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 45:303-322.

153. Staswick PE, Huang JF, Rhee Y (1991) Nitrogen and methyl jasmonate induction of soybean vegetative storage protein genes. Plant Physiol 96:130—136.

154. Staswick PE, Yuen GY, Lehman CC (1998) Jasmonate signaling mutants of Arabidopsis are susceptible to the soil fungus Pythium irregulare. Plant J 15:747-754.

155. Staswick PE, Zhang ZY, Clemente ТЕ, Specht JE (2001) Efficient down-regulation of the major vegetative storage protein genes in transgenic soybean does not compromise plant productivity. Plant Physiol 127:1819-1826.

156. Szamosi I, Shaner DL, Singh BK (1993) Identification and characterization of a biodegradative form of threonine dehydratase in senescing tomato (Lycopersicon esculentum) leaf. Plant Physiol 101:999-l 004.

157. Umbarger HE (1956) Evidence for a negative-feedback mechanism in the biosynthesis of isoleucine. Science 123:848.

158. Utsugi S, Sakamoto1 W, Murata M, Motoyoshi F (1998) Arabidopsis thaliana vegetative storage protein (VSP) genes: gene organization and tissue-specific expression. Plant Mol Biol 38:565-576.

159. Vincendeau' P; Gobert AP, Daulouede S, Moynet D; Mossalayi MD (2003) Arginases in parasitic diseases. Trends Parasitol 19:9—12.

160. Walling LL (2000) The myriad plant-responses to. herbivores. J Plant Growth Regul 19:195-216.

161. Yeh KW, Chen JC, Lin MI, Chen YM, Lin CY Functional activity of sporamin from sweet potato (Ipomoea batatas Lam): a tuber storage protein with trypsin inhibitory activity // Plant Mol Biol. 1997. №33. - c. 565-570.

162. Dobzhansky, Th. Genetics of the Evolutionary Process. New York: Columbia. University Press. 1970. c.505 .

163. Estoup A., Garnery L., Solignac M.and Cornuet J-M. Microsatellite variation in honey bee (Apis mellifera L.) populations: hierarchical structure and test of the infinite allele and stepwise mutation models // Genetics. 1995. No 140. P. 679-695.

164. Feyereisen R. Molecular biology of insecticide resistance. // Toxicology letters. 1995. No 82/83. P. 83-90.

165. Feytaud J. Le Doryphore a la conquete de Г Europe // Proc. VIII Intern. Congr. Entomol., Stockholm. 1950. P.643 646.

Информация о работе

Умаров, Ильгиз Авазович
кандидата биологических наук
Уфа, 2009
ВАК 03.00.12

Диссертация

Экологические и физиолого-биохимические закономерности взаимоотношений в системе "картофель-колорадский жук" - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы