Экобиотехнологические основы изучения взаимосвязей в системе: кукуруза (Zea mays L.) - кукурузный мотылёк (Ostrinia nubilalis Hbn.) - основные паразиты кукурузного мотылька

внутривидовом полиморфизме и межвидовой и более отдаленной гибридизации. Современная биотехнология в состоянии управлять многими важными признаками сельскохозяйственных растений через изменения свойств сортов. К ним можно отнести повышение обшей продуктивности растений, а также признаки, обеспечивающие устойчивость растений к разного рода вредителям. Изменения в сортовом составе различных культур, осуществляемые в целях повышения урожайности и продуктивности посевов, оказывают глубокое влияние на абиотические условия в агробиоценозах и биотические связи растений с населяющими их консументами первого и последующего порядков – фитофагов и их энтомо-фагов. Поэтому, создание устойчивых к вредителям сортов сельскохозяйственных культур может стать мощным естественным рычагом, с помощью которого возможны многолетнее эффективное регулирование численности вредителя и обеспечение защиты растений от них без применения химических средств.

Задачи обеспечения экологической безопасности растениеводства, при одновременном повышении урожайности растений и качества продукции, требуют всестороннего изучения биоце-нотических связей в консортных системах “растение – фитофаг – энтомофаг”, составляющих основную структуру агроценозов. Это позволит научно обосновать экологические принципы построения систем интегрированной защиты растений и управления агроэкосистемами, позволяющих сократить применение пестицидов в результате эффективного использования устойчивых сортов растений и природных энто-мофагов вредителей.

Современные тенденции в селекции такой важной зерновой культуры, как кукуруза, на- правлены не только на повышение ее урожайности, но и на улучшение качества зерна, в частности на обогащение белка незаменимыми аминокислотами путем соответствующего преобразования генотипов растений на основе мутации о2 (опейк 2). На основе мутации о2 создаются линии и гибриды кукурузы с повышенным содержанием белка и незаменимых аминокислот – лизина и триптофана.

Весьма актуальными являются исследования влияния генотипов кукурузы с измененными в результате данной мутации свойствами растений на жизнеспособность основного вредителя этой культуры — кукурузного мотылька (КМК) и его важнейших энтомофагов. Значение этих исследований возрастает в связи с тем, что КМК является внутристеблевым вредителем, против которого малоэффективны обычные средства защиты и особую роль в снижении численности вредителя приобретают устойчивые сорта и энтомофаги.

В связи с этим, нами проводились исследования влияния генотипов кукурузы с измененными в результате данной мутации свойствами растений на жизнеспособность кукурузного мотылька и его важнейших энтомофагов с целью поиска возможностей создания культур не только с высоким качеством зерна, но и устойчивых к основному вредителю и привлекательных для энтомофагов. Кроме этого, проводились эколого-физиологические исследования особенностей взаимоотношений в трехчленной системе: “кукуруза – кукурузный мотылек – основные паразиты кукурузного мотылька” на разных генотипах кукурузы. Изучались особенности влияния мутантных изменений (мутация о2) кукурузы различных генотипов на пищевое поведение консументов первого и второго порядков, а также особенности влияния изменений качества пищи, связанные с мутацией о2 на биологические, физиологические показатели кукурузного мотылька и основных паразитов его гусениц.

При изучении влияния кукурузы различных генотипов на консументов I и II порядков в качестве модельных образцов использовались 12

линий кукурузы: среди них 6 обычных линий кукурузы, различающихся по устойчивости к мотыльку и скороспелости и 6 их изогенетичес-ких аналогов мутантных по гену о2 (опейк-2) с повышенным содержанием незаменимых аминокислот лизина и триптофана (рис.1).

Определение биологических и физиологических показателей фитофага и энтомофагов при питании на кукурузе различных генотипов проводили в лабораторных условиях ВИЗР и КОСВИР. Для этого всех гусениц КМК и их паразитов с каждой линии кукурузы собирали в отдельные сосуды в период осенней резки стеблей и проводили с ними дальнейшие исследования. При изучении влияния качества пищи (мутантные и обычные растения) на консументов I и II порядков определяли следующие биологические показатели насекомых. 1) кукурузного мотылька: смертность гусениц, средняя масса тела гусениц, плодовитость самок, соотношение полов, возрастной состав гусениц; 2)тахины: средняя масса пупариев тахины, плодовитость (потенциальная по количеству яиц в гонадах самок тахины тахины):, 3) наездника: средняя масса тела личинок паразита, соотношение полов, продолжительность фазы куколки.

Сравнительный анализ жизнедеятельности насекомых на обычных и мутантных линиях кукурузы позволял учесть изменения во взаимоотношениях насекомых и растений, связанные с мутантными преобразованиями генотипов. Результаты исследований показали, что мутантные изменения растений (мутация о2) оказывали существенное влияние на биологические и физиологические особенности консументов I и II порядков. При питании кукурузного мотылька на мутантных растениях отмечались изменения средней массы тела, возрастного состава, выживаемости гусениц, плодовитости самок мотылька, соотношения полов, по сравнению с питанием фитофага на растениях обычных аналогов кукурузы (табл. 1).

Отмечены изменения биологических и популяционных показателей тахины L.thompsoni (массы пупариев, потенциальной плодовитости самок, соотношения полов вышедших имаго) и

Рис. 1. Модель консортной системы “кукуруза – кукурузный мотылёк – основные паразиты кукурузного мотылька”

Р астени е

Фитофаг

Энтомофаг

12 линий

6 линий 6

к у ку ру з ы

F7

F115

П502

T22

W64

MA21

кукурузы л иний мутантых по гену о2

F7o2

F115o2 П502о2

Т22о2 W64o2 MA21o2

Кукурузный мотылёк

(Ostrinia nubilalis Hbn.)

ТАХИНА Lydella thompso ni Hert.

НАЕЗДНИК

Bracon hebetor Say.

Таблица 1. Биологические показатели кукурузного мотылька при питании гусениц на растениях обычных и высоколизиновых (мутация о2) линий кукурузы

Линии кукурузы Масса 1 гусеницы Мг; х, Sх Возрастной состав гусениц; % Смертность гусениц в % Половой индекс J Плодовитость 1 + яиц Х ± Sх 3 возр. 4 возр. 5 возр. Ма 21 Ма 21 о2 101,5 ± 3,2 103,2 ± 3,4 0,9 2,1 9,0 7,0 90,6 89,6 28,6 15,0 0,48 0,53 330 ± 34 338 ± 45 F 7 F 7 о2 97,3 ± 3,7 107,6 ± 3,4 3,2 0 10,6 6,4 86,1 93,5 31,1 16,1 0,50 0,74 356 ± 28 444 ± 32 Т 22 Т 22 о2 108,3 ± 3,6 93,5 ± 4,3 2,6 0 4,23 9,9 93,8 89,9 10,3 22,5 0,77 0,48 427 ± 29 301 ± 35 F 115 F 115 о2 100,1 ± 5,2 95,3 ± 4,1 3,1 0 9,0 7,9 87,3 91,5 18,3 30,0 0,69 0,42 372 ± 26 329 ± 27 П 502 П 502 о2 104,1 ± 4,4 98,0 ± 3,4 1,2 1,2 12,5 6,9 86,1 91,9 25,0 46,6 0,74 0,52 379 ± 31 363 ± 38 W 64 W 64 о2 105,8 ± 3,8 101,5 ± 4,7 1,9 0 9,1 3,7 89,6 96,2 17,4 11,1 0,53 0,66 378 ± 24 389 ± 23 наездника B. hebetor (массы личинок, соотношения полов вылетевших имаго и продолжительности развития куколки) в зависимости от питания хозяина на обычных и мутантных растениях (табл 2.). Различия в биологических и физиологических показателях фитофага и энтомофагов свидетельствуют об изменении пищевой ценности мутантных растений. Однако, подобные проявления мутации были неоднозначны и зависели от свойств обычных аналогов кукурузы. В одних случаях при развитии насекомых на мутантной кукурузе (F 7 о2, W 64 o2, Мa 21 o2) , в отличие от ее обычных аналогов, гусеницы отличались большей массой тела, более высокой выживаемостью, меньшими концентрациями общего белка и тирозина. Наиболее существенные различия по этим показателям наблюдались между гусеницами, питавшимися на обычной кукурузе F 7 и мутантном аналоге F 7 о2.

Выявлена более высокая плодовитость и преобладание самок среди имаго, выведенных из гусениц с мутантных линий (табл. 2). Аналогичные отличия физиологических показателей при питании хозяина на кукурузе F 7 о2, в отличие от F 7 были обнаружены и у основных паразитов КМК – тахины, наездника, которые характеризовались более высокими показателями массы тела, плодовитости, преимущественным отрождением самок, ускорением развития стадия куколки наездника), в отличие от насекомых с обычного аналога кукурузы F 7. В других случаях (генотипы П 502 о2, F 115 о2, Т22 о 2) питание на высоколизиновых растениях вызывало уменьшение массы тела и плодовитости мотылька, повышение смертности гусениц, изменение соотношения полов в пользу

Таблица 2. Показатели развития паразитов кукурузного мотылька при питании хозяина на обычных и высоколизиновых линиях кукурузы

П аразиты: Т ахин а Lydella thompsoni Hert Н аездн ик Bracon hebetor Say Линии кукурузы С редняя м асса п упариев тахины Половой индекс J тахи ны Ср.потенци-альная плодовитость самок тахи ны, х, Sx мг Средняя масса личи нок паразита х Sx мг Половой индекс J B.hebeto r Ср.продол-жительность стади и куколки B.hebetor , х, дни Ма 21 31±1,8 0,54 298 ± 30 0,42±0,048 0,49 12,5 Ма 21 о2 33±2,0 0,65 334 ± 28 0,51±0,055 0,58 11,8 F 7 29±1,5 0,51 290 ± 32 0,39±0,061 0,41 13,7 F 7 о2 41±2,5 0,83 378 ± 25 0,58±0,04 0,79 10,2 F 115 34±2,7 0,68 325 ± 41 0,47±0,058 0,49 14,5 F 115 о2 23±1,8 0,31 308 ± 25 0,42±0,043 0,58 13,1 П 502 38±2,5 0,75 382 ± 22 0,35±0,048 0,62 13,8 П 502 о2 37±3,0 0,52 362 ± 38 0,31±0,062 0,55 14,7 выхода самцов, повышение содержания белка и тирозина в гомогенате гусениц кукурузного мотылька. У энтомофагов существенных различий в биологических показателях при питании хозяина на этих же парах линий кукурузы обнаружено не было (табл. 2).

Общее содержание белка в гомогенате гусениц и незаменимых аминокислот тирозина и триптофана в белке гусениц КМК определяли спектрофотометрическим методом. Исследования показали, что наиболее выраженные различия по содержанию этих веществ наблюдались при питании гусениц на аналогах кукурузы П 5O2 - П 502 o2, F 115 - F 115 о2.(табл 3). Это является свидетельством глубины мутантных преобразований вегетативных частей кукурузы соответствующих генотипов и, еше раз подтверждает мнение о том - что повышение лизина и триптофана происходит не только в эндосперме зерновки, но и в других органах растений.

Таким образом, в результате исследований было выявлено разностороннее влияние растений мутантных и обычных генотипов на консументов I и II порядков как внешнего - экзогенного фактора, влияющего на поведение кукурузного мотылька и его энтомофагов тахину, наездника в период заселения растений и поиска мест питания и как внутреннего - эндогенного фактора, оказывающего влияние на особенности жизнедеятельности, физиологические и популяционные показатели насекомых.

Выявленное нами различное влияние растений обычных и мутантных генотипов кукурузы на поведение и биологию кукурузного мотылька и его энтомофагов свидетельствует об изменении в результате мутации о2 таких свойств растений - как устойчивость к мотыльку и привлекательность для энтомофагов. Выявились линии кукурузы, у которых мутация о2 проявлялась в повышении устойчивости к КМК и привлекательности для тахины и наездника. В других случаях мутация о2 вызывала снижение устойчивости линий к мотыльку и их привлекательности для энтомофагов. В третьих случаях эта мутация на поведение и развитие насекомых не влияла (табл. 4).

Неоднозначное проявление мутации о2 на кукурузе различных генотипов и неодинаковое влияние высоколизнновых растений на особенности развития и жизнедеятельности фитофага и энтомофагов представляет интерес для селекционеров и производства и создает необходимые предпосылки для выявления мутантных растений с улучшенным качеством зерна кукурузы и одновременно устойчивых к основному вредителю - кукурузному мотыльку.

Сравнительные исследования особенностей влияния кукурузы различных генотипов на фитофага и энтомофагов показали, что генотип кукурузы является важным фактором определяющим особенности проявления мутации о2, влияющим на особенности поведение и развития насекомых - консументов I и II порядков. Можно заключить, что генотип растений оказывает разностороннее влияние на функционирование консортной системы – кукуруза – кукурузный мотылек – тахина, наездник. Фенотипические изменения генотипа в результате мутации о2 оказывают влияние не только на поведение и

Таблица 3. Содержание белка и аминокислот у гусениц кукурузного мотылька (КМК) при питании на растениях обычных и высоколизиновых линий кукурузы

Линии кукурузы	Общее содержание белка в гомоген ате гусениц; С, моль/л х ± Sх	Концентрация тирозина в белке КМК; Мтир, моль/г	Критерий Стьюдента t	Концентрация триптоф ана в белке КМК; М тир, мол ь/г	Крите рий Стьюдента t
Ма 21 Ма 21 о2	0,28 ± 0,021 0,29 ± 0,019	0,11 ± 0,021 0,13 ± 0,013	- 2,6	0,037±0,0014 0,039±0,0013	- 2,0
F 7 F 7 о2	0,33 ± 0,015 0,30 ± 0,017	0,22 ± 0,019 0,20 ± 0,012	1,6	0,025±0,0022 0,026±0,0017	- 0,5
Т 22 Т 22 о2	0,31 ± 0,01 0,38 ± 0,024	0,15 ± 0,017 0,18 ± 0,019	- 1,5	0,029±0,0012 0,026±0,0011	2,8
F 115 F 115 о2	0,23 ± 0,025 0,36 ± 0,022	0,12 ± 0,002 0,19 ± 0,019	- 3,6	0,036±0,0038 0,026±0,0030	1,5
П 502 П 502 о2	0,31 ± 0,017 0,39 ± 0,024	0,15 ± 0,002 0,26 ± 0,028	- 3,9	0,029±0,0017 0,032±0,0021	- 4,5
W 64 W 64 о2	0,37 ± 0,018 0,32 ± 0,025	0,19 ± 0,032 0,21 ± 0,025	- 0,8	0,024±0,0014 0,029±0,0011	- 1 5

Таблица 4. Отличия в устойчивости и привлекательности мутантных линий кукурузы от их обычных аналогов

Линии кукурузы	Кукурузны й мотылёк 1-й генерации (Ostrinia nubilalis Hbn.)	Кукурузный м отылёк 2-й Генерации (Ostrinia nubilalis Hbn.)	Тахина (Lydella thompsoni Hert.)	Н аездн ик
				(Bracon Say.)	hebetor
П 502 о2	0	+	+	+
F 115 о2	0	+	-	+
Т 22 о2	+	+	-	+
W 64 о2	+	+	-	+
Ма 21 о2	0	0	-	0
F 7 о2	-	-	-	-

+ - устойчивость (привлекательность) выше, чем у аналога;

- - устойчивость (привлекательность) ниже, чем у аналога;

0 -достоверных различий устойчивости (привлекательности) не выявлено биологию фитофага, но и его энтомофагов, что в конечном итоге сказывается на численности вредителя и степени поврежденности им растений. Выявлены генотипы кукурузы (П 502, F 115), в которых мутация о2 приводила к повышению устойчивости растений к основному вредителю – кукурузному мотыльку и повышению эффективности энтомофагов в снижении численности вредителя. Эти линии кукурузы П 502 и F 115 можно рекомендовать в качестве исходных форм для создания устойчивых к КМК и благоприятных для деятельности его энтомофагов гибридов кукурузы с улучшенным качеством белка..

Таким образом, проведённые нами исследования показали, что у растений есть большой потенциал свойств, полезных для человека в плане возможностей получения высокопродуктивных и высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к вредителям. Эти свойства могут быть задействованы в результате применения биотехнологий, использующих естественные механизмы регуляции агроэкосистем. Это позво- лит решить сразу целый спектр проблем в области сельского хозяйства, охраны природы и глобальной продовольственной проблемы.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ “Развитие научного потенциала высшей школы”