Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-географическая структура популяций стеблевых мотыльков и факторы ее определяющие

ВАК РФ 03.02.05, Энтомология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-географическая структура популяций стеблевых мотыльков и факторы ее определяющие"

На правах рукописи

КОНОНЧУК

Анастасия Геннадьевна

ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ СТЕБЛЕВЫХ МОТЫЛЬКОВ И ФАКТОРЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

Шифр и наименование специальности -03.02.05- Энтомология

1 8 АПР 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург - Пушкин 2013

005052095

005052095

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЗР Россельхозакадемии)

Научный руководитель: Фролов Андрей Николаевич

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Радченко Евгений Евгеньевич

доктор биологических наук, зав. отделом генетики ГНУ ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова Россельхозакадемии

Фаеулати Сергей Радиевич,

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник ГНУ ВНИИ защиты растений Россельхозакадемии

Ведущая организация: Российский государственный аграрный

университет - Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева

Защита диссертации состоится «25» апреля 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.015.01 на базе Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений по адресу: 196608, Санкт-Петербург, Пушкин, шоссе Подбельского, д.З.

Факс: (812) 4705110; e-mail: vizrspb@mail333.com. Web-сайт: www.vizrspb.narod.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений.

Автореферат разослан «22» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук . Наседкина Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Знание экологических и генетических особенностей микроэволюции необходимо для успешного управления популяциями вредителей и экосистемами в целом, прогноза размножений и вредоносности экономически значимых объектов, а также для селекции устойчивых к вредителям сортов. Изучению популяционной структуры стеблевых мотыльков посвящено немало работ, выполненных в разных странах. Известно, что род Ostrinia включает в себя комплекс близкородственных и трудноразличимых, генетически обособленных видов и форм с гостальной пищевой специализацией. Так, на территории европейской части России, кукурузный мотылек Ostrinia nubilalis Hbn. приурочен к питанию на кукурузе, щет-коногий или конопляный мотылек О. scapulalis Wik., обитая на Северном Кавказе, выкармливается главным образом на конопле и дурнишнике (Фролов, 1979), а в Украине заселяет более широкий круг видов растений, в т.ч. хмель и циклахену дур-нишниколистную (Шапиро и др., 1979; Фролов, 1989). Известно, что популяции стеблевых мотыльков, обитающих на двудольных видах растений-хозяев, полиморфны и морфологически (по строению голеней средних ног самцов) разнообразны, зачастую трудно или вообще неотличимы от популяций, обитающих на кукурузе, т.е. кукурузного мотылька. В такой ситуации актуально применение современных моле-кулярно-генетических подходов, позволяющих осуществлять диагностику и анализ трофических связей у насекомых на новом методологическом уровне.

Цель данной работы — изучить характер изменчивости популяционной структуры стеблевых мотыльков в связи с физико-географическими и трофическими факторами в целях уточнения диагностики и прогноза динамики численности вредителя.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- генотипирование энтомологического материала, собранного в европейской и азиатской частях России с разных кормовых растений и оценка генетической дивергенции популяций насекомых методами молекулярной биологии;

- проведение анализа популяционной структуры в связи с гостальной пищевой специализацией и оценка степени генетической дифференциации насекомых по способности развиваться на кукурузе;

- уточнение видового состава патогенных микроорганизмов, способных оказывать влияние на динамику численности фитофага;

- сравнительная оценка роли географического и пищевого факторов в дифференциации популяций стеблевых мотыльков.

Научная новизна. Впервые для России с помощью молекулярно-биологических маркеров изучена структура популяций стеблевых мотыльков в связи с пищевым и географическим факторами. При использовании ПЦР - диагностики уточнен круг патогенных микроорганизмов стеблевых мотыльков. Впервые в России обнаружено заражение стеблевых мотыльков микроспоридиями и показано широкое распространение патогена в Краснодарском крае. Произведена сравнительная оценка выживаемости европейских и восточноазиатских популяций мотыльков рода Ostrinia в зависимости от гостальной пищевой специализации, а также определено влияние локализованного в половой хромосоме гена invagination на способность гусениц

стеблевых мотыльков выживать на кукурузе.

Теоретическая и практическая значимость. Получены новые сведения относительно эколого-географической структуры популяций стеблевых мотыльков. Благодаря использованию молекулярно-биологического анализа получены новые данные о генетической структуре популяций в европейской части России и Казахстане. Определена ведущая роль кормового растения как фактора, влияющего на по-пуляционную структуру стеблевых мотыльков. Уточнен и расширен круг патогенных микроорганизмов, оказывающих влияние на динамику численности Ostrinia spp. в России.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Развитие представлений о генетической структуре популяций стеблевых мотыльков в связи с их пищевой специализацией благодаря использованию микроса-теллитного анализа участков неэкспрессируемой ДНК.

• Положение о ведущей роли кормового растения как средообразующего фактора для видов рода Ostrinia (переход стеблевых мотыльков на питание кукурузой не только в Европе, но и в Азии сопровождался формированием пищевой специализации).

• Расширение знаний о патогенных микроорганизмах, способных заражать стеблевых мотыльков и уточнение представлений об особенностях динамики численности насекомых, обитающих в восточной и западной частях Краснодарского края на предпочитаемых кормовых растениях.

Апробация работы. Результаты работы представлены на IV Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (СПб, 2008), на второй Международной научно-практической интернет-конференции «Актуальные вопросы энтомологии» (Ставрополь, 2009), на семинаре Лаборатории эволюции и биоразнообразия университета П. Сабатье, (г.Тулуза, Франция, 2009), на международной молодежной конференции «Инфекционная патология членистоногих» (СПб-Пушкин, 2012), на Ежегодной отчетно-плановой сессии ученого совета ВИЗР (СПб-Пушкин, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 в изданиях из перечня научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 131 стр. машинописного текста, состоит из введения, 3 глав, выводов, практических рекомендаций и приложения. Работа иллюстрирована 21 таблицей и 36 рисунками. Список литературы включает 179 источников, из них 78 на иностранных языках.

Работа выполнялась в 2008 — 2011 гг. во время обучения в очной аспирантуре ГНУ ВИЗР Россельхозакадемии при частичной финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 06-04-48265, № 07-0492170, № 09-04-00619 и № 12-04-32119.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю проф. доктору биологических наук Андрею Николаевичу Фролову за постоянную помощь, ценные методические советы и научные консультации в период проведения и написания диссертационной работы. Благодарит Ю.М. Малыш и Ю.С. Токарева за поддержку и помощь в проведении работы и сборе энтомологического материала, весь коллектив лаборатории фитосанитарной диагностики и прогнозов за поддержку и советы. Искреннюю признательность автор выражает проф. H.A. Вилковой за ценные консультации и помощь, оказанную при оформлении работы, доцен-

ту Г.Р. Леднёву за помощь при работе с грибами из рода Beauveria, В.Б. Митрофанову за помощь в определении бакуловирусных инфекций. Выражает благодарность коллективам Кубанской опытной станции ВИР, под руководством доктора с.-х. наук Г.А. Техановича, и НПО КОС-МАИС, под руководством кандидата с.-х. наук В.Г. Гаркушки, за всестороннюю помощь в период проведения летних полевых работ. Особую признательность автор выражает ученым из университета им. П. Сабатье г. Тулузы, лаборатории эволюции и биоразнообразия, в частности S. Ponsard, и сотрудникам CBGP (Centre de Biologie pour la Gestion des Populations, г. Монпелье), а именно D. Bourguet, P. Audiot, R. Streiff, A. Dalecky, T. Malausa, S. Meusnier.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1. Популяционная структура стеблевых мотыльков и факторы,

её определяющие

В главе приводится анализ литературных данных, посвященный систематике, распространению, пищевой специализации и методам диагностики популяционной структуры и изменчивости стеблевых мотыльков.

Глава 2. Условия, материал и методы исследований

Материалом для диссертационной работы служили популяции стеблевых мотыльков собранные в нескольких районах Краснодарского края, насекомые из Забайкальского края, Иркутской и Амурской обл., республик Татарстан, Удмуртия, Бурятия и Алмаатинской обл. (Казахстан).

Молекулярно-биологический анализ проводили в несколько этапов: пробоподготовка, экстракция ДНК (Sambrook et al., 1989), диагностика на основе ПЦР (амплификация ДНК), секвенирование (нуклеотидные последовательности определены на автоматическом секвенаторе AbiPrism).

Для просмотра, редактирования и первичного анализа исходных нуклеотид-ных последовательностей использовали - программу BioEdit (Hall, 1999), выполненную в формате User-Friendly Interface for Windows.

Филогенетический анализ выполняли с помощью Байесовского заключения в MrBayes 3.1.2 (Ronquist, Huelsenbeck, 2003). Выходные данные конвертировали в программе TreeView 1.6.6. Кроме Байесовского кластерного анализа, структурирование генотипированного материала оценивали с помощью программного продукта Structure (Pritchard et al., 2000) версии 2.3.1. (Hubisz et al., 2009).

Степень генетической дифференциации пар популяций по всем локусам оценивали точным методом Фишера по программе Genepop 3.4 (Raymond, Rousset, 1995). Оценки значений Р для множественных сравнений корректировали поправкой Bonferroni. Для статистичсекой обработки данных использовали компьютерное приложение Statistica ver. 8.0.

Учёты численности стеблевого мотылька проводили на полях Кубанской опытной станции ВИР и НПО КОС-МАИС (п. Ботаника, Гулькевичский р-н, Краснодарский край). Осуществляли учеты перезимовавших гусениц (на полях, занятых кукурузой в предыдущем году); учеты плотности отложенных на кукурузе яиц (на фиксированных модельных площадках); учеты плотности и смертности яиц (в период лёта имаго); учёты плотности гусениц на растениях. Учитываемые факторы смертно-

5

сти: энтомофаги, поздняя эмбриональная смертность, отпадение кладки яиц от листа. Смертность гусениц младших (1-2) возрастов оценивали по разности между плотностью яиц со следами отрождения гусениц и плотностью гусениц, определенной при вскрытии растений по завершении периода откладки яиц. В качестве средних значений плотности яиц и гусениц стеблевых мотыльков за сезон использовали средневзвешенные оценки по учетным площадям посевов. По результатам учетов составляли таблицы выживаемости, которые анализировали на основе известных принципов (Morris, 1959; Varley, Gradwell, 1970; Hagai, Rogers, 1975; Royama, 1996; Huffaker et al, 1998).

При анализе результатов в работе использовались данные, полученные сотрудниками лаборатории в предыдущие годы (период 1994-2007 гг.).

Искусственное заселение на кукурузу проводили в 2009-2011 гг. на опытных участках г. Темрюк. Для этого насекомые, собранные в естественных условиях, после перезимовки были реактивированы и разводились в лаборатории на искусственной питательной среде в 2-х поколениях (Шапиро и др., 1980). Заселение растений проводили яйцами в стадии черной головки или только что отродившимися гусеницами, предварительно подсчитав их количество. Через 30 дней после заселения, растения срезали и вскрывали, выживших гусениц помещали в стеклянные сосуды для дальнейшего развития.

Глава 3. Результаты исследований 3.1 Анализ микросателлитной ДНК популяций стеблевых мотыльков

Генотипирование осуществлялось с помощью набора из 8 аутосомных локу-сов, отобранных из ранее использованных 11 локусов (Malausa et al, 2007), описанных в публикациях A. Dalecky et al. (2006) и К. Kim et al. (2008). Так же, в набор включили идентифицированный B.S. Coates (USDA) локус Ga54.

Таблица - 1 Микросателлитные локусы, число аллелей (N), статистическая достоверность (значения Fis и Р) отклонений оценок гетерозиготности от ожидаемых согласно уравнению равновесия Харди-Вайнберга, средние оценки частот нулевых аллелей (в скобках - стандартное отклонение) по результатам изучения популяций, собранных на кукурузе и полыни (хмеле, конопле) в России и Казахстане. n.s.: статистическая значимость не доказана; * : 0.01 < Р < 0.05; **: 0.001 < Р < 0.01; ***: Р <0.001

Кукуруза Полынь/конопля

Локус N F,s Р Частота нулевых ал л. N ■/"и Р Частота нулевых алл.

Ga54 8 0.064 n.s. 0.02 (0.02) 9 0.291 *** 0.08 (0.09)

ОпТ2 10 0.603 0.23 (0.04) 20 0.532 0.20 (0.08)

ОпТЗ 9 0.317 *** 0.13 (0.05) 12 0.340 *** 0.14(0.10)

DI 45 13 0.047 * 0.02 (0.05) 12 0.013 n.s. 0.02 (0.03)

D243 12 -0.049 n.s. 0.00 (0.00) 13 -0.008 n.s. 0.01 (0.02)

D63 11 0.190 *** 0.09 (0.06) 18 0.202 *** 0.08 (0.06)

D65 16 0.230 0.09 (0.04) 20 0.378 *** 0.16(0.09)

Т81 26 0.164 0.05 (0.03) 27 0.243 *** 0.10(0.05)

Все локусы - 0.233 ** * - - 0.275 ***

В процессе проведения статистического анализа результатов генотипирования вносили поправку в FS1 на эффект нулевых аллелей согласно алгоритму М-Р. Chapuis, A. Estoup (2007). Степень генетической дифференциации пар популяций по всем локусам оценивали методом Фишера по программе Genepop 3.4 (Raymond, Rousset, 1995). Оценки значений Р для множественных сравнений корректировали поправкой Bonferroni (Гланц, 1999) (табл. 1).

Эффект изоляции расстоянием (ИР) характеризовали зависимостью географических (измеренных в In) и генетических расстояний (Fst/(1-Fst)) внутри и между группами популяций, собранных на кукурузе и двудольных кормовых растениях в соответствии с методикой (Rousset, 1997). Нулевая гипотеза независимости генетических и географических расстояний тестировалась в противовес альтернативной гипотезе положительной корреляции, что ожидалось в случае достоверности эффекта ИР. Данный эффект также тестировали с помощью программы Genepop.

Полученные для Казахстана и европейской части России результаты соотносятся с таковыми полученными ранее во Франции (Malausa et al, 2007), и свидетельствуют, что фактор кормового растения оказывает определяющее воздействие на генетическую структуру насекомых (рис. 1).

Изоляция расстоянием

* 6 Ln Расстояния

♦ Среднее между Сорбулаксш н сооузшвшн сднудодьвых

♦ Среднее между Сорбутшші в щшудяцнжын сіуіуруш

• Сраввенне между папуадднямн с сужурузы и двудольных

■ Папул1шн,С0браавые с гугурузы

* Поиуладяя, собранные с двудольных

Рисунок 1 - Связь между генетической дифференциацией и географическим расстоянием внутри и между группами популяций Оїігіпіа Брр., собранных на кукурузе и двудольных растениях в России и Казахстане

Для любого выбранного географического расстояния порядка 3000 км, генетическое дифференцирование пар популяций, обитающих на одном и том же типе растения-хозяина, оказалось существенно ниже такового для пар популяций, обитающих на разных типах растений-хозяев.

Средний уровень генетической дивергенции между обитающим на кукурузе О. пиЬИаНя и развивающимся на двудольных видах растений-хозяев О. хсариЫи относительно низок, но статистически достоверен и постоянен на протяжении всего обследованного географического диапазона (европейская часть России, Казахстан).

Был проведен Байесовский кластерный анализ распределения популяций ОзМта врр, собранных с различных кормовых растений (кукуруза, полынь, конопля)

в России (Краснодарский, Ставропольский края, Ростовская, Белгородская обл., респ. Татарстан) и Казахстане (окр. оз. Сорбулак) по набору микросателлитных локусов. Всего в анализ было включено 16 выборок, с числом ожидаемых кластеров К = от 2 до 6. При числе ожидаемых кластеров К = 2 распределение распалось на два кластера, в строгой зависимости от вида кормового растения (кукуруза У'Л' двудольные), и вплоть до К = 6, популяции, собранные на кукурузе, сохраняли единство вне зависимости от места сбора материала, причем этот кластер никогда не включал ни одну популяцию или индивидуум, собранный с двудольных видов растений-хозяев. При К = 3 общая дихотомия популяций с кукурузы и двудольных растений-хозяев сохранялась неизменной, но выявилась третья группа особей, собранных в Казахстане (окр. о. Сорбулак) и 7 особей, собранных в пос. Майский (Белгородская обл.) на полыни. При К > 3, выявленные группировки продолжали выделяться, однако новой сегрегации уже не обнаруживалось. Общая дихотомия образцов, собранных на кукурузе и двудольных растениях, сохранялась однотипной как для России, так и для Франции (Ма1аиза е/ я/., 2007), несмотря на некоторые различия в использованном наборе микросателлитных локусов. Дисперсионный анализ подтвердил статистически достоверную дифференциацию изучаемых популяций (Р < 0.0001). Полокусное сравнение обнаружило значительно более серьезный вклад одного из них (ОпТ2) на эффект растения-хозяина по сравнению с остальными (табл. 2).

Таблица - 2 Оценки эффектов локусов (значения /'эт) на дивергенцию популяции Озшта Брр., собранных с кукурузы та двудольных кормовых растений на территории бывшего СССР (60 сравнений)

Локус Россия/Казахстан

Мин. Макс. Средн.

Са54 -0.021 0.339 0.033

ОпТ2 0.098 0.408 0.228

ОпТЗ -0.017 0.135 0.020

В145 -0.017 0.291 0.038

й243 -0.013 0.110 0.020

БбЗ -0.012 0.082 0.020

И65 -0.010 0.090 0.018

Т81 -0.012 0.127 0.024

Все популяции, собранные на двудольных видах кормовых растений в Казахстане и европейской части России, оказались генетически близки друг к другу без признаков статистически значимой дифференциации по фактору «полынь у* конопля».

Отмечен небольшой эффект изоляции расстоянием (ИР), однако при этом степень дивергенции популяций, собранных на двудольных, значительно ниже, чем дифференциация популяций с двудольных и собранных на кукурузе. Первая популяция включала самцов, обладающих малыми и средними типами конечностей в равной пропорции. Между группами, несущими голени разных типов, микросателлит-ный анализ не выявил различий (Р5т = -0.0002, Р = 0.468); также не выявилось в популяции из Сорбулака дефицита гетерозигот по какому-либо из локусов. В этой связи обнаруженный для этой популяции эффект ИР, по-видимому, характеризует внутривидовую изменчивость, связанную с адаптацией насекомых к местным условиям.

Таким образом, полученные материалы не подтвердили существования какой-либо генетической дифференциации между обитающими в Казахстане и европейской части России на двудольных кормовых растениях популяциями, различающимися по морфологии конечностей самцов (малыми, средними или крупными) (т.е. О. scapulalis и О. narynensis Mutuura et Monroe, 1970). Соответственно, представленный нами материал согласуется с ранее высказанной гипотезой о том, что все обитающие в западной части России популяции на двудольных растениях объединяются в рамках одного политипического вида О. scapulalis sensu Frolov et al. (2007) вне зависимости от особенностей морфологии конечностей самцов.

Микросателлитный локус ОпТ2 из нашего набора не сцеплен с полом, поскольку самки Ostrinia spp. (гетерогаметный пол) часто оказываются гетерозиготными по данному локусу. Локусы, кодирующие структуру голеней самцов, также распадаются на две группы. Один из этих генов сцеплен с полом (i), другой - аутосом-ный (Mí) (Фролов, 1984). Однако, оба они не связаны с ассортативным спариванием (Frolov et al, 2007). Тем не менее, по этим локусам может обнаруживаться неравновесие по сцепленности с локусами, связанными с адаптацией насекомых к кормовым растениям и/или обуславливающих репродуктивную изоляцию.

Общий анализ популяционной структуры насекомых рода Ostrinia, собранных с кукурузы и с двудольных кормовых растений в России и Казахстане, показал, что, несмотря на дифференциацию по морфологии (строение голеней средних ног самцов), положенную в основу систематики стеблевых мотыльков, четких генотипиче-ских границ между насекомыми, обитающими на двудольных видах растений-хозяев, не обнаруживается.

3.2 Взаимоотношения популяций стеблевых мотыльков с кормовыми растениями в Краснодарском крае

Значение растений в эволюции фитофагов наглядно показано в разных систематических группах (Кузнецов, 1952; Фролов, 1992). Выбор насекомыми растений для питания определяется совокупностью особенностей, которые могут выступать как в качестве барьера, ограничивающего возможность использования растений для питания, так и фактора, привлекающего насекомых (Вилкова, 1974). Пищевая специализация стеблевых мотыльков представляет собой не только существенное направление в эволюции этих насекомых, но и служит таксономическим признаком, имеющим принципиальное значение.

3.2.1 Динамика численности Ostrinia scapulalis в западной части Краснодарского края

В 2008-2011 гг. автором, с целью выявления взаимоотношений стеблевых мотыльков с кормовыми растениями, проводились учеты численности в окр. г. Темрюк на основных растениях-хозяевах: кукурузе, конопле, дурнишнике, полыни.

Результаты учетов гусениц второго поколения в 2008 году показали, что в западной части Краснодарского края (г. Темрюк) насекомые предпочтительно заселяли двудольные растения. В 2009 году учет численности гусениц проводили для первого и второго поколений; оценили степень заселяемости растений. В первом поколении,

шие условия для развития паразитов, и наоборот (Шапиро, 1956). Многочисленные исследования на эту тему (Воронин, 1971; Шапиро, 1968) свидетельствуют о необходимости изучения трехчленной системы - триотрофа (кормовое растение - фитофаг -энтомофаг), как звена, где сосредоточены мощные потоки вещества, энергии и информации в агробиоценозах.

К настоящему времени подробно описан круг энтомофагов стеблевых мотыльков на разных видах кормовых растений и получены некоторые данные относительно их дифференциации (Фролов, 1982; Гостюхина, 1995).

По результатам учетов стеблевых мотыльков на кормовых растениях нами определено влияние энтомофагов на динамику численности и построены таблицы выживаемости (табл. 3).

Таблица - 3 Плотность яиц, гусениц и куколок кукурузного мотылька в п. Ботаника (среднее значение по первым поколениям за 2008-2009 гг.)____

Стадия развития Плотность живых наЮОО м2 Снижение плотности; % К

Всего яиц на кукурузе 30365.5 12.3 0.055

Гусеницы 1-2 возраста 26626.5 66.6 0.78

Гусеницы 3-5 возраста 8885.0 69.9 0.615

Куколки 2678.0 34.3 0.125

Имаго 1760.3 44.3 0.15

Яйцекладущие самки 981.1

В целом за поколение 96.78 1.725

Индекс изменения плотности, I в 2008 =1.88

в 2009 = 9.46

Важным, но недостаточно изученным, является вопрос о влиянии патогенных микроорганизмов на динамику численности стеблевых мотыльков, среди которых различают две группы: облигатные и факультативные. В рамках данного исследования проводились работы с микроспоридиями и бакуловирусами, относящимися к об-лигатной группе, и грибами рода Beauveria, относящимися к факультативным патогенам.

3.2.3 Патогенные микроорганизмы и их влияние на динамику численности стеблевых мотыльков

Диагностика микроспоридий.

Микроскопический анализ неокрашенных мазков внутренних органов показал наличие множества спор в ряде просмотренных препаратов. Форма и размеры спор, а также наличие характерной оболочки, позволили определить принадлежность этих спор к Миетиа-подобным формам микроспоридий.

В среднем встречаемость микроспоридий в гусеницах, собранных в 2005-2010 гг. в Краснодарском крае, составила 8.8±2.25% (N=159). Зараженность гусениц в разных выборках изменяется от 3.0% до 17.2%, при этом максимальный показатель зараженности наблюдался в 2010 г. Статистически достоверных различии между насекомыми, собранными на разных кормовых растениях, в разных географических точках и в разные годы не наблюдалось.

Морфометрические показатели спор микроспоридий позволяют идентифици-

11

ровать данный вид паразита как Nosema pyrausta (Paillot) (Kramer, 1959).

Заражение микроспоридиями кукурузного мотылька на территории России выявлено впервые. Зараженность гусениц микроспоридиями не превышала 17.5%, однако случаи инфекции выявлены во всех проанализированных выборках 2005-2010 гг. вне зависимости от вида кормового растения и места обитания насекомых. Наличие запаса инфекции служит важной предпосылкой для возникновения эпизоотии, оказывающих существенное влияние на динамику численности массовых видов насекомых (Соколова, Исси, 2001).

Молекулярная диагностика бакуловирусных инфекций Ostrinia nubilalis.

Эпизоотии вирусной этиологии наблюдались в природной популяции кукурузного мотылька на посевах кукурузы в Краснодарском крае (п. Ботаника Гульке-вичский р-н) в 1996 и 2004 гг., чему предшествовали периоды депрессии численности вредителя.

Образцы вирусных частиц, выделенные из погибших насекомых, использовали для экстракции геномной ДНК и амплификации консервативных участков генов полиэдрина polh и фактора поздней элонганции lef 8 (Токарев и др., 2009). При использовании образцов матричной ДНК с праймерами polhF:polhR (0.5 пМол на пробу) положительной реакции получить не удалось. С учётом того, что использованы вырожденные праймеры, концентрация эффективного праймера в этой смеси значительно ниже. Кроме того, образец неразведенной матричной ДНК мог содержать различные ингибиторы 7ад-полимеразы, а также избыточное количество неспецифической ДНК, способной интерферировать с праймерами. В связи с этим положительную реакцию наблюдали при повышении концентрации праймеров (1 и более пМол на пробу) и при снижении концентрации вирусной ДНК (разведение в 10 и более раз) (рис. 3).

2000 н.о.

1000 н.о. 500 н.о.

1 234 56 78 0КМ

Рисунок 3 - Электрофореграмма продуктов амплификации образцов ДНК вируса ядерного полиэд-роча стеблевых мотыльков с праймерами роШР:ро11іІІ в концентрации 5 пМол (1-4) и 0.5 пМол на пробу. В качестве матрицы использовали неразведенные (1, 2, 5, 6) и разведенные в десять раз (3, 4, 7, 8) образцы вирусной ДНК. ОК-отрицательный контроль (реакционная смесь содержит 5 пМол каждого праймера и не содержит матрицы ДНК); М - маркер молекулярного веса

Полученные продукты клонированы в рАЬ-ТА векторе и секвенированы на автоматическом секвенаторе, по одной повторности на локус. Нуклеотидная последовательность, полученная с праймерами, специфичными к фрагменту гена роШ, показала максимальное сходство на уровне 83-84% с гомологичным локусом известных

12

видов вирусов ядерного полиэдроза чешуекрылых. Напротив, вновь полученный сиквенс локуса lef 8 показал сходство на уровне 77-78% с соответствующими сиквен-сами вирусов гранулёза чешуекрылых, которые составляют филогенетическую группировку, обособленную от вирусов ядерного полиэдроза.

Наиболее логичное объяснение наблюдаемого расхождения результатов се-квенироваиия двух разных локусов вирусной ДНК заключается в том, что погибшие гусеницы краснодарской популяции кукурузного мотылька, использованные для экстракции ДНК, были заражены, по меньшей мере, двумя разными вирусами - ядерного полиэдроза и гранулёза. Оба молекулярных гаплотипа свидетельствуют об уникальности бакуловириусов, выявленных в настоящей работе.

Молекулярная филогения штаммов рода Beauveria заражающих чешуекрылых из

рода Ostrinia.

Распространенность грибов рода Beauveria в природных популяциях стеблевых мотыльков наблюдалась на уровне не более 2%. Всего за весь период исследований выделено пять штаммов энтомопатогенных грибов. С целью однозначной идентификации грибных штаммов, выделенных из стеблевых мотыльков, проведено сравнение морфо-культуральных признаков и нуклеотидных последовательностей гена /<?/(translation elongation factor). Большинство штаммов оказались однотипными по макроморфологии. Несмотря на ярко выраженные отличия по морфо-культуральным свойствам между группами штаммов, дифференцировать индивидуальные штаммы грибов из насекомых различного географического происхождения (Забайкальский, Краснодарский края), не представляется возможным без применения молекулярно-генетического анализа штаммов. Результаты анализа показали более высокий уровень дифференциации штаммов в сравнении с макроморфологией колоний, и в то же время несоответствие между морфологическими и генотипическими признаками.

Jsana ctcadae ARSEF 7260

Isana tenuipes ARSEF 4096 - Beauveria amorpha ARSEF 2641 г- Beauveria vavoae ARSEF8257 - Beauvena kiputae ARSEF 7032 r- Zcm w

Beauveria basstana ARSEF 1564

- кт

KTX

sx

Beauveria bassiana ARSEF 1040 j— Beauveria basstana ARSEF 1811 Beauveria bassiana ARSEF 1848

j-- Beauveria asiaticaARSEF 4850

[r Beawena brongniariiiARSEF617 Beamena australisARSEF 4598

j- Beauveria sunqil ARSEF 1685

—1 j— Beauvena vermiconia ARSEF 2922 I—I r- Beauvena catedonica 2567

Comyceps riiiitaris ARSEF 5050

Beauveria malamensis Ш1228343

Beauveria pseudobassiana ARSEF 3405 Bkuk

Beauvena pseudobassiana ARSEF 6229

Рисунок 4 - Филограмма, показывающая филогенетическое положение штаммов, выделенных из стеблевых мотыльков по отношению к штаммам, описанным ЯеЬпег е/ а/, в 2011, построенная методом Байесовского заключения на основе элаймента последовательностей гена 1е/, выбранных на основе Ш.АЗТ-анализа на сервере Генбан-ка

В частности, штаммы SX, KTX, КТХЗ обладают молекулярным гаплотипом гена

tef, идентичным таковому эталонного штамма ARSEF 1040 из тутового шелкопряда в Японии, являющегося типовым штаммом Beauveria bassiana sensu Rehner et al., 2011. Соответственно, на филогенетическом дереве они образуют единый кластер с данным штаммом (рис. 4). Штамм ZCm/w демонстрирует максимальное сходство со штаммом ARSEF 751 и тоже формирует отдельный кластер в рамках филогенетической линии, соответствующей В. bassiana sensu Rehner et al., 2011. Наконец, штамм Bkuk оказывается наиболее далек от других штаммов из чешуекрылых, изученных в настоящей работе, и идентифицируется как В. pseudobassiana (рис. 4). Несмотря на то, что дифференцировать все изученные штаммы по локусу tef не удается, полученные результаты показывают их принадлежность к разным подвидам В. bassiana и видам Beauveria и свидетельствуют о необходимости анализа более вариабельных ло-кусов. К сожалению, проанализированная выборка недостаточна для каких-либо заключений о закономерностях распространения грибов, относящихся к определенным филогенетическим линиям, и их влияния на природные популяции Ostrinia spp.

В целом, полученные данные указывают на то, что из трех групп патогенов, изученных в настоящей работе, наибольшее значение для снижения численности стеблевого мотылька, по-видимому, имеют бакуловирусы.

3.3 Выживаемость стеблевых мотыльков на кукурузе при искусственном заселении растений

В исследованиях дифференциации насекомых по кормовым растениям существует ряд сложных и дискуссионных проблем. Одна из них - различение биологических рас и видов-двойников (Фролов, 1990, 1992). Интересным является и тот факт, что дифференциация популяций фитофага обнаруживается даже в пределах Краснодарского края (Серапионов, 2008). Дифференциальная способность к выживанию европейских популяций О. nubilalis и О. scapulalis в связи с гостальной пищевой специализацией известна давно (Фролов, Хроменко, 1980; Фролов, 1984; Thomas et al., 2004). Проведенные нами опыты с искусственным заселением кукурузы в 2009-2011 гг. эту закономерность полностью подтвердили.

3.3.1 Дифференциальная выживаемость насекомых разных популяций в опытах с искусственным заселением

Опыты по искусственному заселению в 2009 г. проводили в г. Темрюк в 7 вариантах при 3 рендомизированных повторениях. Участвовали популяции, собранные на кукурузе в п. Ботаника, на дурнишнике и полыни в г. Темрюк, и на конопле посевной в Казахстане (линия, гомозиготная по аллелю i), а также и их гибридные формы.

Максимальная выживаемость гусениц в опыте зафиксирована в варианте заселения растений популяцией из п. Ботаника с кукурузы. Высокой выживаемостью характеризовались также особи от скрещивания $ Ботаника-кукуруза и S Казахстан-конопля (рис. 5).

В вариантах заселения кукурузы популяцией с конопли и гибридами от реци-прокного скрещивания $ Казахстан-конопля х S Ботаника-кукуруза, выживших гусениц не найдено.

питывали раздельно на ИПС. Параллельно на ИПС вели линии рекуррентного родителя из Казахстана, гомозиготные по аллелю і (обозначены ЧЛ).

Для разведения использовали стандартный состав среды (Фролов, 1993); насекомых содержали в камере при температуре 28°С и фотопериоде 16 часов.

Не смотря на то, что выживаемость была низкой в варианте заселения ЧЛ х КБ, различия по выживаемости потомств реципрокных вариантов полночью согласуются с выше описанными результатами опыта по оценке выживаемости! насекомых на кукурузе (табл. 4).

Таблица - 4 Собранный материал по опыту с искусственным заселением растений кукурузы

Вариант Всего заселено растений Кол-во яиц Всего дожило гусениц до 5 возраста (% от заселенного кол-ва) В том числе

мертвые паразиты имаго ? (3 диапаузирУющие гусенЩШ

ЧЛ хКБ 42 3533 23 (0.65) 12 7 - ш 4

ЧЛ хБК 46 4096 39 (0.95) 16 11 2 \и 9

В целом полученные результаты подтверждают наличие ярко выраженной пищевой специализации у представителей Оу/г/ша эрр., собранных с разных растений-хозяев. Вне зависимости от региона обитания насекомых и их таксономической принадлежности, при питании на кукурузе наблюдалась низкая выживаемость Оугп'л-/а 5сари1аШ, в то время как популяции мотыльков европейского О. пиЬНаНя и восточного кукурузного О. $1гпасаИ$ оказались в равной степени адаптированными к питанию на кукурузе.

ВЫВОДЫ

1.В результате изучения генетической структуры 16 популяций стеблевых мотыльков, собранных в 10 областях России и Казахстане, по 8 аутосомны1м микроса-теллитным локусам, убедительно доказана доминирующая роль кормового растения как фактора, определяющего популяционную структуру насекомых.

2. Уровень межвидовой дифференциации у ОзМта врр. по микрос^теллитным маркерам мало зависит от расстояния между районами обитания популяций (в пределах европейской части России и Казахстана).

3. Внутривидовая генетическая дивергенция у О. пиЬИаИз по использованным маркерам не обнаружена, тогда как географические популяции О. зсари^вНз распадаются на кластеры соответственно особенностям строения средних голеней самцов.

4. Существенные различия в популяционной структуре фитофага на западе и востоке Краснодарского края подтверждаются результатами микросателлитИ°го анализа. В восточной части края, характеризующейся широкой распростране>1ностью т0" варных посевов кукурузы на зерно, численно преобладает О. пиЪИаНз, а в западной части доминирует заселяющий двудольные виды растений-хозяев О. чт0 очевидно связано с отсутствием здесь, до недавнего времени, выращиваю'51 кукурузы в промышленных масштабах.

5. Данные зараженности стеблевых мотыльков патогенными микроорганизмами сопоставлены с динамикой численности их хозяев. Из изученных трех грУпп патоге-

17

нов - микроспоридий, бакуловирусов и грибов из рода Beauveria - способность вызывать эпизоотии обнаружена у бакуловирусов.

6. Опыты с искусственным заселением кукурузы подтверждают высокий уровень выживаемости приспособленных к обитанию на этом кормовом растении насекомых по сравнению с особями из популяций, обитающих на двудольных растениях-хозяевах. Различия по способности выживать на кукурузе хорошо наследуются при явном преобладании материнского эффекта.

Практические рекомендации

1. Для целей диагностики видовой принадлежности насекомых-хозяев, их филогенетических связей, а также зараженности энтомопатогенами рекомендуется шире использовать молекулярно-биологические методы, в т.ч. микросателлитные маркеры.

2. Сведения о популяционной структуре и особенностях взаимоотношений стеблевых мотыльков с кормовыми растениями необходимо учитывать при прогнозировании численности, а также при организации мероприятий, направленных на защиту растений от этих вредителей.

3. Методические подходы, использованные при изучении меж- и внутривидовой изменчивости стеблевых мотыльков, рекомендуется использовать при изучении популяционной структуры у насекомых-фитофагов в агроценозах.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Малыш, Ю.М. Зараженность микроспоридиями стеблевых мотыльков рода Ostrinia (Lepidoptera: Crambidae) в Краснодарском крае / Ю.М. Малыш, Ю.С. Токарев, Н.В. Ситникова, А.Г. Коиончук, Т.А. Грушецкая, А.Н. Фролов // Паразитология. - 2011. - Т. 45, - № 3. - С. 234-244.

2. Frolov, A. From Russia with lobe: genetic differentiation in trilobed uncus Ostrinia spp. follows food plant, not hairy legs / A. Frolov, P. Audiot, D. Bourguet, A.G. Kononchuk, J.M. Malysh, S. Ponsard, R. Streiff, Y.S. Tokarev // Heredity. - 2012. - V.108. - № 2. - P. 147-156.

3. Серапионов, Д.А. Популяционная структура кукурузного мотылька в Краснодарском крае / Д.А. Серапионов, А.Г. Дубровина (Конончук), А.Н. Фролов // Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем. Выпуск 5. Материалы докладов международной научно-практической конференции (Биологическая защита растений, перспективы и роль в фитосанитарном оздоровлении агро-ценозов и получении экологически безопасной сельскохозяйственной продукции) 23 сентября - 25 сентября 2008 г. Краснодар: ВНИИБЗР РАСХН. - 2008. - С. 158-160.

4. Иващенко, В.Г. Устойчивость кукурузы к вредным организмам как важнейший резерв реализации высокого потенциала продуктивности селекции на гетерозис / В.Г. Иващенко, А.Н. Фролов, А.Г. Дубровина (Конончук), В.Г. Гаркушка // Зерно и хлеб России. IV Международный конгресс 11-13 ноября 2008г. С-Петербург: -2008.-С. 46-48.

5. Конончук, А.Г. Пищевая специфичность популяций кукурузного мотылька (Ostrinia nubilalis Hbn.) в Краснодарском крае / А.Г. Конончук II Тр. Ставропольем отд. Русского энтомол. об-ва, Вып. 5. Мат. 2 Межд. научно-практич. интер-нет-конф. «Актуальные вопросы энтомологии» (Ставрополь, 1 марта 2009 г.). Став-

рополь: Аргус, 2009. - С. 226-228.

6. Токарев, Ю.С. Метод диагностики вируса ядерного полиэдроза кукурузного мотылька ОзМпіа пиЫЬПх НЬп. на основе ПЦР / Ю.С. Токарев, А.Г. Дубровнна (Конончук), Ю.М. Малыш, В.Б. Митрофанов, А.Н. Фролов // В кн.: Высокопроизводительные и высокоточные технологии и методы фитосанитарного мониторинга. Приложение к журналу «Вестник защиты растений». СПб.: ВИЗР, 2009. - С. 24-27.

7. Конончук, А.Г. Молекулярная диагностика бакуловирусных инфекций стеблевого кукурузного мотылька ОзКМа пиЪИаШ НЬп. (Ьерісіоріега, РугаМае) / А.Г. Конончук, Ю.М. Малыш, Ю.С. Токарев, В.Б. Митрофанов, А.Н. Фролов // Материалы международной молодежной конференции «Инфекционная патология членистоногих» Санкт-Петербург, Пушкин, 26-29 марта 2012г. - СПб., 2012. - С. 28-29.

Научное издание. гагО-печать ИННОВАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ Гицвьэи* ПЛД N9 69-253. Подписано к печати 20 марта 2013 г., тир. 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Конончук, Анастасия Геннадьевна, Санкт-Петербург-Пушкин

-2-Оглавление.

Введение 4

Глава 1 Обзор литературы 10

1.1 Популяция и ее изменчивость 10

1.2 Методы изучения популяционной изменчивости 19

1.3 Таксономическая характеристика стеблевых мотыльков 24

1.4 Пищевая специализация стеблевых мотыльков 29 Глава 2 Условия, материал и методы исследований 36

2.1 Место и условия проведения работ 36

2.2 Материал и методы 42

2.2.1 Методы молекулярно - биологического исследования 42

2.2.2 Учеты динамики численности стеблевого мотылька 52

2.2.3 Искусственное заселение кукурузы кукурузным мотыльком 56 Глава 3 Структура популяций стеблевых мотыльков в пищевом и

5"

географическом аспектах

3.1 Анализ микросателлитной ДНК популяций стеблевых мотыльков 59

3.2 Взаимоотношения популяций стеблевых мотыльков с кормовыми ^ растениями в Краснодарском крае

3.2.1 Динамика численности ОхМта Бсари1аШ в западной части ^ Краснодарского края

3.2.2 Динамика численности ОБЫта пиЬПаИз в восточной части

83

Краснодарского края

3.2.3 Патогенные микрорганизмы и их влияние на динамику ^ численности стеблевых мотыльков

3.3 Выживаемость стеблевых мотыльков на кукурузе при искусственном ^ заселении

102

-33.3.1 Дифференциальная выживаемость насекомых разных популяций в опытах с искусственным заселением

3.3.2 Эффект половой хромосомы в отношении способности гусениц стеблевого мотылька выживать на кукурузе

Выводы 109

Практические рекомендации 111

Список литературы 112

Приложение 126

принадлежности в принципе невысока. Важно отметить, что в последние годы интерес к проведению исследований, направленных на изучение популяционной генетики видов рода Ostrinia, резко вырос и, по сути, эта группа приобрела статус модельного объекта (Malausa et al., 2003).

Особое значение популяционного уровня для существования и развития жизни на Земле состоит в том, что через него осуществляется как генетическая преемственность поколений, так и регуляция их биологически важных свойств. Эти параметры непосредственно обусловлены особенностями популяционных генофондов (Алтухов, 2003). Популяционная биология представляет собой синтез теории эволюции, генетики, экологии и этологии (Neal, 2004). Основные вопросы популяционной биологии — каким образом регулируется численность и какими факторами определяется структура популяции (May, McLean, 2007).

Знание популяционной структуры, экологических и генетических механизмов микроэволюции важно для регулирования экосистем, управлении популяциями вредителей, прогноза размножений и т.д. Исследование этих вопросов необходимо как для многолетних перспективных программ, так и для решения проблем настоящего времени (Вилкова и др., 1979).

Существует много указаний на наличие ярко выраженной популяционной изменчивости стеблевого мотылька. Например, было установлено, что в США, Канаде и странах Западной Европы широко распространены две феромонные расы со значительной степенью дифференциации между кукурузными и конопляными популяциями с одной стороны, и между кукурузными и сорняковыми популяциями с другой. Многочисленные исследования, посвященные изучению популяций питающихся на полыни и на кукурузе, были проведены во Франции. В начале использовали аллозимные маркеры (Marlet et al., 2003), которые в последствии заменили на микросателлитные, показавшие себя более эффективными. В результате была обнаружена четкая дивергенция между этими двумя популяциями, адаптированными к питанию на своем растении-хозяине (Calcagno et al., 2007).

Актуальность исследования. Знание экологических и генетических особенностей микроэволюции необходимо для успешного управления популяциями вредителей и экосистемами в целом, прогноза размножений и вредоносности экономически значимых объектов, а также для селекции устойчивых к вредителям сортов. Изучению популяционной структуры стеблевых мотыльков посвящено немало работ, выполненных в разных странах. Известно, что род Ostrinia включает в себя комплекс близкородственных и трудноразличимых, генетически обособленных видов и форм с гостальной пищевой специализацией. Так, на территории европейской части России, кукурузный мотылек Ostrinia nubilalis Hbn. приурочен к питанию на кукурузе, щетконогий или конопляный мотылек О. scapulalis Wik., обитая на Северном Кавказе, выкармливается главным образом на конопле и дурнишнике (Фролов, 1979), а в Украине заселяет более широкий круг видов растений, в т.ч. хмель и циклахену дурнишниколистную (Шапиро и др., 1979; Фролов, 1989). Известно, что популяции стеблевых мотыльков, обитающих на двудольных видах растений-хозяев, полиморфны и морфологически (по строению голеней средних ног самцов) разнообразны, так что нередко трудно или вообще неотличимы от популяций, обитающих на кукурузе, т.е. кукурузного мотылька. В такой ситуации актуально применение современных молекулярно-генетических подходов, позволяющих осуществлять диагностику и анализ трофических связей у насекомых на новом методологическом уровне.

Цель данной работы — изучить характер изменчивости популяционной структуры стеблевых мотыльков в связи с физико-географическими и трофическими факторами в целях уточнения диагностики и прогноза динамики численности вредителя.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - генотипирование энтомологического материала, собранного в европейской и азиатской частях России с разных кормовых растений и оценка генетической дивергенции популяций насекомых методами молекулярной биологии;

-7- проведение анализа популяционной структуры в связи с гостальной пищевой специализацией и оценка степени генетической дифференциации насекомых по способности развиваться на кукурузе;

- уточнение видового состава патогенных микроорганизмов, способных оказывать влияние на динамику численности фитофага;

- сравнительная оценка роли географического и пищевого факторов в дифференциации популяций стеблевых мотыльков.

Научная новизна. Впервые для России с помощью молекулярно-биологических маркеров изучена структура популяций стеблевых мотыльков в связи с пищевым и географическим факторами. При использовании ПЦР -диагностики уточнен круг патогенных микроорганизмов стеблевых мотыльков. Впервые в России обнаружено заражение стеблевых мотыльков микроспоридиями и показано широкое распространение патогена в Краснодарском крае. Произведена сравнительная оценка выживаемости европейских и восточноазиатских популяций мотыльков рода Ostrinia в зависимости от гостальной пищевой специализации, а также определено влияние локализованного в половой хромосоме гена invagination на способность гусениц стеблевых мотыльков выживать на кукурузе.

Теоретическая и практическая значимость: Получены новые сведения относительно эколого-географической структуры популяций стеблевых мотыльков. Благодаря использованию молекулярно-биологического анализа получены новые данные о генетической структуре популяций в европейской части России и Казахстане. Определена ведущая роль кормового растения как фактора, влияющего на популяционную структуру стеблевых мотыльков. Уточнен и расширен круг патогенных микроорганизмов, оказывающих влияние на динамику численности Ostrinia sp. в России.

Основные положения, выносимые на защиту: • Развитие представлений о генетической структуре популяций стеблевых мотыльков в связи с их пищевой специализацией благодаря использованию микросателлитного анализа участков неэкспрессируемой ДНК.

• Положение о ведущей роли кормового растения как средообразующего фактора для видов рода Ostrinia (переход стеблевых мотыльков на питание кукурузой не только в Европе, но и в Азии сопровождался формированием пищевой специализации).

• Расширение знаний о патогенных микроорганизмах, способных заражать стеблевых мотыльков и уточнение представлений об особенностях динамики численности насекомых, обитающих в восточной и западной частях Краснодарского края на предпочитаемых кормовых растениях.

Поскольку род Ostrinia представляет собой группу трудноразличимых близкородственных видов, термин «стеблевой мотылек» мы будем использовать в расширительном смысле, т. е. понимать под ним комплекс форм с трехлопастным ункусом гениталий самцов без уточнения видовой специализации.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору, доктору биологических наук Андрею Николаевичу Фролову за постоянную помощь, ценные методические советы и научные консультации в период проведения и написания диссертационной работы. Благодарит Ю.М. Малыш и Ю.С. Токарева за поддержку и помощь в проведении работы и сборе энтомологического материала, весь коллектив лаборатории фитосанитарной диагностики и прогнозов за под держку и советы. Искреннюю признательность автор выражает профессору H.A. Вилковой за ценные консультации и помощь, оказанную при оформлении работы, доценту Г.Р. Леднёву за помощь при работе с грибами из рода Beauveria, В.Б. Митрофанову за помощь в определении бакуловирусных инфекций. Выражает благодарность коллективам Кубанской опытной станции ВИР, под руководством доктора с.-х. наук Г.А. Техановича, и НПО КОС-МАИС, под руководством кандидата с.-х. наук В.Г. Гаркушки, за всестороннюю помощь в период проведения летних полевых работ. Особую признательность выражает французским ученым из университета им. П. Сабатье г. Тулузы, лаборатории эволюции и биоразнообразия, в частности S. Ponsard, и сотрудникам CBGP (Centre de

Biologie pour la Gestion des Populations, г. Монпелье), a именно D. Bourguet, P. Audiot, R.Streiff, A. Dalecky, T. Malausa, S. Meusnier.

Глава 1 Обзор литературы 1.1 Популяция и ее изменчивость

Под популяцией понимается совокупность особей определенного вида, в течение достаточно длительного времени (большого числа поколений) населяющих определенное пространство, внутри которого практически осуществляется та или иная степень панмиксии и нет заметных изоляционных барьеров, которая отделена от соседних таких же совокупностей особей данного вида той или иной степенью давления тех или иных форм изоляции. Популяция обозначает элементарную эволюционную структуру и элементарное подразделение населения вида (Тимофеев-Ресовский, 1973).

Основным свойством популяций, как и других биологических систем, является то, что они находятся в беспрерывном движении, постоянно изменяются. Это отражается на всех параметрах: продуктивности, устойчивости, структуре, распределении в пространстве. Популяциям присущи конкретные генетические и экологические признаки, отражающие способность систем поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях: рост, развитие, устойчивость. Одной из основных черт, характерных популяции, является изменчивость.

Изменчивость - один из важнейших факторов эволюции. Популяционная изменчивость повышает внутреннее разнообразие вида. Это, в свою очередь, повышает устойчивость вида к локальным (местным) изменениям условий жизни, позволяет ему проникать и закрепляться в новых для себя условиях и районах. Можно сказать, что существование в форме популяций обеспечивает его целостность и постоянное самоподдержание основных видовых свойств.

Изменчивость как состояние - это уже существующие различия между особями (индивидуальная изменчивость) или их групп (групповая). Изменчивость как процесс - это возникновение различий между организмами,

которые могут не выходить за пределы реакции признака (модификационная изменчивость), или объясняется изменением последней (комбинативная и мутационная изменчивость) (Филипченко, 1926).

Популяционная изменчивость - явление, объединяющее несколько основных свойств жизни: дискретность, иерархичность, изменчивость, наследственность. С начала систематического описания живой природы и создания первых эволюционных теорий элементарной единицей разнообразия организмов признается вид. Описание и изучение видов выявляет их дискретный характер существования и значительную внутривидовую изменчивость.

В течение XX века основные направления к развитию представлений о внутривидовой изменчивости и ее организации в популяциях давали бурно развивающиеся науки - генетика, экология, биологическая математика, данные которых обновили и пополнили классический дарвинизм и привели к формированию синтетической теории эволюции (Huxley, 1942).

Главными характеристиками, по которым выделяются популяции, являются пространственные, временные, демографические, генетические и экологические параметры.

Пространственная характеристика, описывающая топографию «популяционного архипелага» вида, предполагает относительно определенные территории и границы популяций, частично изолированных друг от друга. Данные территории - популяционные ареалы, представляют собой стабильно заселенные части видового ареала. Размеры ареала популяций разных видов, как и размеры ареала в пределах одного вида, весьма различны. Вследствие неравномерности распределения особей внутри видовых ареалов последние могут отличаться и по форме, помимо этого в связи с размерами ареалов популяций в очень широких пределах может варьировать численность особей в популяциях. Средний уровень численности, диапазон ее колебаний, зависимость изменений плотности от тех или иных факторов, как зависимых,

так и независимых от плотности, половая и возрастная структура являются свойствами демографической характеристики популяций.

Чередование периодов увеличения и спада количества особей насекомых в популяции определенного вида называется динамикой численности насекомых; это один из наиболее сложных и дискуссионных разделов энтомологии. В целях объяснения причин колебания численности насекомых предложен ряд теорий, не подтвержденных в своём первоначальном виде. Одни исследователи признавали ведущую роль в регуляции численности фитофагов за их врагами - хищниками и паразитами (паразитарная теория), другие считали, что колебания численности обусловлены воздействием на насекомых климатических факторов (климатическая теория). Ряд исследователей отдавали преимущество пищевому фактору. В результате дальнейших исследований, многие ученые пришли к мнению, что численность популяции насекомых каждого вида в экосистеме определяется комплексом факторов (биоценологическая теория) (Фридерикс, 1932). Развитая на ее основе т.н. синтетическая теория (Викторов, 1955, 1968, 1976) рассматривает колебания численности популяций как автоматически регулируемый процесс, состоящий из отклонений под влиянием случайных воздействий абиотической среды и стабилизирующего действия биотических факторов. При этом выделяются два принципиально различных процесса, определяющих движение численности популяций во времени: модификацию и регуляцию. Модификация характеризует подъёмы и спады численности, обусловленные случайными по отношению к популяциям изменениями факторов, функционально не связанными с её плотностью (в первую очередь метеорологические условия). Модифицирующие факторы способны очень быстро и резко изменить уровень численности популяции. Регуляция заключается в сглаживании возникающих колебаний в результате действия регулирующих механизмов, которые зависят от плотности популяции и действуют по принципу обратной связи. Различают межвидовые и внутривидовые механизмы регуляции численности. Первые связаны с деятельностью энтомофагов и патогенов. Многоядные энтомофаги

стабилизируют численность популяции на самых низких уровнях, специализированные - на более высоких. Важно подчеркнуть, что регуляция численности фитофагов в полной мере реализуется лишь в природных экосистемах; что касается агроценозов, то здесь процессы регуляции численности если и наблюдаются, то в гораздо меньшей степени и ограниченных масштабах, что обсусловлено тем обстоятельством, что агроценозы - искусственные образования, не способные к сколько-нибудь длительному самовоспроизведению без регулярного антропогенного вмешательства (Воронков, 1999).

К настоящему времени накоплено достаточное количество данных относительно дифференциации видов энтомофагов стеблевого мотылька по кормовым растениям их хозяев. Так, зараженность гусениц щетконогого мотылька паразитами в условиях центральной лесостепи Украины обычнго существенно выше на циклахене дурнишниколистной в сравнении с дикой коноплей, помимо того на циклахене повышена эффективность деятельности таких хищников, как уховертки; на кукурузе смертность гусениц кукурузного мотылька в целом ниже, чем на растениях-хозяевах щетконогого мотылька, произрастающих в диких стациях (Фролов, 1982).

Резкое снижение численности насекомых (при достижении ею высшего предела) способны вызвать патогенные микроорганизмы; при их недостаточно эффективном действии, включаются регулирующие механизмы, которые являются результатом �