Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Обоснование генетических методов борьбы с вредными видами насекомых из отрядов Diptera и Lepidoptera

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Анисимов, Анатолий Иванович, Санкт-Петербург

И' $9-3//О- ¥

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК: 575.01+632.93:[575.632.7]

Аниснмов Анатолий Иванович

ОБОСНОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ВРЕДНЫМИ ВИДАМИ НАСЕКОМЫХ ИЗ ОТРЯДОВ DIPTERA И LEPIDOPTERA.

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора биологических наук

Санкт-Петербург, 1997 г.

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте защиты растений.

Официальные оппоненты: профессор, доктор биологических наук И.А.Захаров;

член корр. РАЕН, профессор, доктор биологических наук Л.З.Кайданов;

доктор биологических наук В.Г.Кузнецова.

Ведущая организация: Институт биологии развития РАН.

Защита состоится " м " ^1997 г. в ( { час. на заседании Диссертационного совета Д 063.57.2] по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском Университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9, С-ПбГУ, биолого-поч?" ' факультет, кафедра генетики и селекции, аудитория 1.

С материалами диссертации можно ознакомиться в б - Г,анкт-Петербургского

Государственного Университета.

Автореферат разослан "

1997

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук

Л.А.Мамон

Т10

■Э II

/V

99

Pf: 99-3//£>--? Страница1

/

Общая характеристика работы. Актуальность проблемы Защита растений от вредителей является одной из наиболее важных проблем сельскохозяйственного производства. Даже в условиях применения пестицидных обработок до 30% урожая гибнет от повреждений, наносимых вредными членистоногими или патогенами. Вместе с тем, интенсивное применение пестицидов приводит к уничтожению полезной фауны, вредит здоровью людей, а возникновение устойчивости вредителей к пестицидам заставляет повышать применяемые концентрации или отказываться от возделования некоторых культур. Требуется разработка эффективных и экологически безопасных способов защиты растений от вредителей и болезней. Одним из подходов к решению этих проблем является использование генетического метода борьбы с вредными насекомыми, затрагивающего только один вид, против которого ведется борьба, и способного решать эту задачу на качественно более высоком уровне, вплоть до полного искоренения вредителя.

Пели и залами исследований. Целью исследований являлась разработка генетических методов борьбы с яблонной плодожоркой (Cydia pomomlla L.) и весенней капустной мухой (Delia brassicae Bouche ) на основе наследственных изменений, приводящих к снижению репродуктивного потенциала их популяций в ряду поколений, а также обоснование наиболее эффективных вариантов таких методов и стратегии их применения для защи+ы сельскохозяйственных растений от вредных насекомых из отрядов Díptera и Lepidopíera.

С этой целью были поставлены следующие задачи:

- разработать методики выделения и оценки рецессивных сцепленных с полом и доминантных условно-летальных мутаций, транслокаций хромосом у видов с неразработанной частной генетикой, создать коллекции мутантных линий у яблонной плодожорки (Lepidopíera) и весенней капустной мухи (Díptera) и выявить среди них наиболее перспективные для генетической борьбы с этими вредителями сельскохозяйственных культур;

- определить закономерности наследования и реализации индуцированных радиацией повреждений хромосом у бабочек и мух, приводящих к снижению репродуктивного потенциала в ряду поколений;

- изучить генетические механизмы явления индуцируемой "наследуемой стерильности" у • 'зшуекрылых и их более высокой радиорезистентности по сравнению с двукрылыми;

• разработать принципы оценки и подобрать наиболее эффективные дозы облучения

• .секомых, предназначенных для выпусков в природные популяции, и оптимальные соо•'ношения выпускаемых и природных особей;

- усовершенствовать принципы и методы количественной оценки конкурентоспособности мутантных, облученных самцов и их потомков, как наиболее важной характеристики качества биоматериала при осуществлении генетического метода борьбы;

- изучить генетические механизмы полиморфизма природных популяций яблонной плодожорки и весенней капустной мухи по признакам, определяющим число генераций вредителей на протяжении сезона, и другие особенности частной генетики этих видов, важные для осуществления генетического метода борьбы с ними;

- разработать способы сравнительной оценки биологической эффективности различных вариантов генетического метода, основанных на использовании мутантных линий, индуцированных мутаций или их сочетаний, выявить наиболее перспективные типы мутаций для разработки этого метода у других представителей вредных двукрылых и чешуекрылых со слабо изученной частной генетикой.

довательском институте защиты растений (Санкт-Петербург, Пушкин) и на его опытных станциях (Ленинградская область, Крым, Краснодарский край) с 1976 по 1996 г. в рамках государственных программ ОНТП 051.05, отраслевых программ ВАСХНиЛ (впоследствии РАСХН), планов Координационного Центра стран СЭВ по проблеме защиты растений от вредителей и болезней, Восточнопалеарктической секции Международной организации по биологической борьбе с вредными животными и растениями и международных программ, координируемых объединенным сельскохозяйственным отделом Ф АО/МАГАТЭ.

В основу работы положены данные, полученные и опубликованные автором лично или совместно с Е.М.Литвиновой, К.Л.Гользберг, Ю.Б.Самойловым, А.Н.Шведовым, Н.В.Лазуркиной, Ю.Б.Ковалевым, Н.А.Беляковой, Л.К Сароян.

витие энтомологии и частной генетики насекомых из отрядов Lepidoptera (яблонная плодожорка) и Díptera (весенняя и летняя - D.floralis капустные мухи), т.к. проводились на этих видах впервые. Наиболее общее и важное научное значение имеют:

- выявление рецессивных сцепленных с полом летальных мутаций у яблонной плодожорки, приводящих к повышению конкурентоспособности гетерозиготных самцов, что свидетельствует о возможности существования моногенного гетерозиса у чешуекрылых

- установление характера наследования и реализации индуцированных радиацией изменений в хромосомах чешуекрылых (полицентрические) по сравнению с хромосомами двукрылых (моноцентрические), особенностей их проявления в виде доминантных летальных мутаций в зависимости от дозы облучения, пола облученных насекомых и их потомков F1, а во втором поколении после облучения в зависимости от уровня стерильности и полаБ!;

- выявление фактов, свидетельствующих о функционально "моноцентрическом" поведении хромосом чешуекрылых в мейозе и о существовании иных (кроме полицентрической организации хромосом) механизмов, приводящих к гораздо более низкому уровню возникновения доминантных летальных мутаций в половых клетках чешуекрылых по сравнению с двукрылыми;

проводились во Всероссийском научно-иссле-

Большинство проведенных нами исследований вносят вклад в раз-

- выявление особенностей полиморфизма популяций яблонной плодожорки по признаку вольтинизма и доказательство невозможности его объяснения фотопериодической индукцией диапаузы;

- выделение и изучение диапаузирующих в условиях длинного дня линий яблонной плодожорки, что позволило обнаружить пищевой механизм регуляции диапаузы у этого вида, который в сочетании с фотопериодическим механизмом и независимо наследующимися факторами, ответственными за скорость развития насекомых и их выход из диапаузы, обеспечивает высокую адаптированность этого вредного вида бабочек к изменяющимся условиям среды;

- определение и анализ частот возникновения разных типов индуцированных транслокаций, характера наследования полустерильности в выделенных линиях с этими мутациями и их цитогенетических характеристик, которые доказывают существование и локализацию доминантного фактора детерминации мужского пола не в Y-хромосоме, а в самой крупной аутосоме № б у весенней капустной мухи;

- обнаружение внутри- и межпопуляционного генетически обусловленного полиморфизма и доказательство возможности выделения бездиапаузных линий из природных популяций, установление своеобразия наследования этого признака при гибридизации и проявления разных типов развития и фотопериодической реакции в потомстве отдельных пар весенней капустной мухи, которые позволили разработать принципы организации генетического контроля фотопериодической регуляции диапаузы у насекомых.

Фундаментальное и практическое значение. Разработаны методики индивидуального и посемейного разведения исследованных видов насекомых, схемы и методики выделения мутаций и синтеза линий, представляющих практический интерес (для мух: транслокаций хромосом, их гомозиготизации и переноса на оппозитную хромосому без видимых маркеров, доминантных мутаций бездиапаузности; для бабочек: рецессивных сцепленных с полом летальных мутаций, транслокаций половых хромосом, получения только мужского потомства).

Создана основа для применения генетических методов борьбы с яблонной плодожоркой и весенней капустной мухой. Выделены перспективные мутации и определены оптимальные дозы облучения. Разработаны компьютерные программы для моделирования выпуска облученных или мутантных (транслокации хромосом, рецессивные сцепленные с полом и доминантные условно-летальные мутации) насекомых, а также при сочетании облучения с мутациями, позволяющие сравнить биологическую эффективность и подобрать оптимальную тактику применения этих вариантов генетического метода для любых вредителей из отрядов Díptera и Lepidoplera.

Обоснованы принципы оценки и выведены новые, более точные формулы для рассче-та коэффициентов конкурентоспособности облученных или мутантных самцов с изме-

ненным уровнем стерильности, позволяющие использовать параметрические критерии для их статистической оценки.

Выявлены наиболее эффективные варианты генетического метода борьбы с яблонной плодожоркой и весенней капустной мухой на основе выделенных у этих видов мутант-ных линий, использования оптимальных доз облучения, соотношений выпускаемых и природных насекомых, избирательной стерилизации самок.

лись на XIV Международном генетическом конгрессе (М., 1978); Международных симпозиумах стран членов СЭВ "Экологическое обоснование генетических методов борьбы с яблонной плодожоркой и другими вредителями" (Познань, ПНР, 1981), "Изучение паразитов и хищников членистоногих и изучение физических и генетических методов уничтожения вредителей сельскохозяйственных культур" (Смоленице, ЧССР, 1983), "Генетические и физические методы борьбы с вредными членистоногими" (Ленинград-Пушкин, СССР,1986 и Ческе Будейовице, ЧССР, 1988); Закавказской конференции молодых ученых и специалистов "Наука - сельскому хозяйству"(Цахкадзор, Арм.ССР, 1981); конференции "Экологическая генетика растений и животных" (Кишинев, Молд. ССР, 1981); IV и Vcbe3flax ВОГиС (Кишинев, Молд. ССР, 1982 и Москва, 1987); IX и X съездах ВЭО (Киев, Укр.ССР, 1984 и Ленинград, 1989); II и III Всесоюзных конф. по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1984, 1990); XVII заседании Совета уполномоченных НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР, ЧССР, СФРЮ по проблеме защиты растений (Киев, СССР, 1985); I и II Всесоюзных конф. по промышленному разведению расекомых (Москва,198б, 1989); 2-м Международном симпозиуме "Fruit Flies" (Греция, Крит, 1987); Международных симпозиумах : "Endocrinological Frontière in Physiological Insect Ecology" (Вроцлав, ПНР, 1987); "Régulation of Insect Reproduction" (Жинков, ЧССР, 1987), ФАО/МАГАТЭ "Modem Insect Control: Nuclear Techniques and Biotechnology"(BeHa, Австрия, 1987); Всесоюзном симпоз. по хеморецепции насекомых (Вильнюс, Лит. ССР, 1988); Международных координационных совещаниях ФАО/МАГАТЭ: "Radiation-Induceed FI Sterility in Lepidoptera for Area-Wide Сотго1"(Пекин, Китайская народная республика, 1989 и Финикс, Аризона, США, 1993) и "Evaluation of Population Suppression by Irradiated Lepidoptera and their Progeny" (Джакарта, Индонезия, 1995), I Всесоюзной конф. по генетике насекомых (Москва, 1991), Всероссийском научно-производственном совещании "Экологически безопасные и беспестицидные технологии получения растениеводческой продукции" (Краснодар, 1994); Всероссийском съезде по защите растений (Санкт-Петербург, 1995).

1. Необходимость дифференциальной количественной оценки разных типов индуцированной и наследуемой стерильности у разных полов с помощью индивидуального тестирования насекомых.

Включенные в диссертационную работу материалы докладыва-

2. Функционально "моноцентрическое" поведение полицентрических хромосом чешуекрылых в мейозе.

3. Механизмы большей устойчивости половых клеток чешуекрылых по сравнению с двукрылыми к мутагенным обработкам.

4. Существование пищевой регуляции диапаузы у яблонной плодожорки и независимость детерминирующих ее факторов от таковых для фотопериодической регуляции.

5. Выделение рецессивных сцепленных с полом летальных мутаций у вредных чешуекрылых, вызывающих моногенный гетерозис по конкурентоспособности самцов.

6. Необходимость комплексной количественной оценки и новые формулы для рассчета коэффициентов конкурентоспособности самцов насекомых с повышенной стерильностью.

7. Математические модели и пакет программ к персональному компьютеру, позволяющие сравнить биологическую эффективность различных вариантов генетического метода борьбы с вредными насекомыми.

8. Выявление рациональных путей получения насекомых и создания линий с измененной наследственностью у вредных видов из отрядов Díptera и Lepidopíera с неразработанной частной генетикой, выпуск которых более эффективен, чем использование полностью стерилизованных особей при осуществлении генетического метода борьбы.

Генетические методы борьбы с вредными членистоногими по праву считаются наиболее экологически безопасными из всех, применяемых и разрабатываемых в настоящее время. Благодаря полной безопасности для полезных членистоногих и повышению эффективности при снижении плотности популяций вредных, они должны являться (а в некоторых случаях уже стали) важным звеном в системах интегрированной защиты сельскохозяйственных растений и животных от вредителей. Наиболее впечатляющие примеры широкомасштабного применения генетических методов получены на основе выпуска полностью стерилизованных насекомых на североамериканском континенте для борьбы со средиземноморской плодовой (Ceratitis capitata) и мясной (Cochliomyia hominivorax) мухами, которые были искоренены на огромных территориях, включая южные штаты США, Мексику, Гватемалу и некоторые другие страны Латинской Америки. В меньших масштабах этот метод применяется для борьбы с розовым червем хлопчатника (Pectinophora gossypiella) в Аризоне и Калифорнии (США), луковой мухой (Delia antiqua) в Голландии, мухой це-це (Glossina lachinoiJes) в некоторых странах Африки, мексиканской плодовой мухой (Anastrepha Indens), хлопковым долгоносиком (Anthonomus grandis), двумя видами совок из рода Heliolhis (H. zea и H. verescens) в

США, некоторыми комплексами видов комаров, переносчиков болезней, в США, Пакистане, Сальвадоре (например, Anopheks quadrimaculatus)', восточной фруктовой (Da-cus dorsales) и дынной (Dacus Cucurbitae) мухами в Японии, яблонной плодожоркой (Су-dia pomonellá) в Канаде и рядом других видов (Snow, 1988). В отношении масштабного применения других, более тонких генетических методов, основанных на изменениях наследственного материала насекомых, реализующихся в нескольких поколениях после выпуска, мне пока известен только один пример - выпуски линий с транслокациями хромосом и условными летальными мутациями для борьбы с зеленой овечьей мухой (Lucilia cuprina) в Австралии (Whitten, Foster, 1988), хотя впервые в 1940 году именно возможность использования транслокаций для генетической борьбы с вредными насекомыми была теоретически обоснована А.С.Серебровским.

Вскоре после начала нашей работы в этом направлении этап теоретического обоснования и разработки различных схем генетической борьбы с вредными членистоногими в основном был завершен. Кроме индуцированных доминантных летальных мутаций (основа метода выпуска стерилизованных насекомых) и транслокаций хромосом рассмотрены возможности использования инверсий хромосом, компаундных хромосом, рецессивных летальных и условно-летальных генных мутаций, доминантных условно-летальных мутаций, индуцированной и естественно встречающейся гибридной стерильности, цитоплазматической несовместимости, факторов мейотического драйва, других генетических изменений и некоторых их сочетаний (Анисимов, 1985). Было проведено их простейшее теоретическое сравнение и в некоторых случаях показана потенциально большая эффективность по сравнению с полной стерилизацией, но реально ни на одном виде не были опробованы и не разрабатывались хотя бы два разных варианта генетической борьбы (Knipling, Klassen, 1976).

Успешное применение генетического метода для борьбы с мясной мухой (Cochliomyia hominivorax) в США стимулировало (особенно в 60-е, 70-е годы) во многих странах широкие исследования по разработке этого метода для борьбы с разными вредными видами чл