Epistatic interaction of resistance genes to acaricides in interline hybrids of two-spotted spider mite

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Сроки возможного использования инсектоакарицидов для борьбы с вредными членистоногими в значительной мере связаны с преодолением постоянно формирующейся к ним устойчивости у объектов, против которых эти химические средства применяются. Успешно противодействовать быстрому развитию резистентности у вредных членистоногих можно посредством познания генетических и биохимических механизмов, лежащих в основе процессов адаптивной эволюции, происходящих у них под действием химических обработок (Croft, De Baan., 1988; McKenzie, Batterham, 1994, 1998). С этой целью проведены генетические и токсикологические эксперименты с линиями обыкновенного паутинного клеща, отселектированными по факту наличия или отсутствия признака резистентности к инсектоакарицидам различных химических классов, а также с межлинейными гибридами, полученными при скрещивании клещей этих линий. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Эксперименты проведены на гомозиготных линиях обыкновенного паутинного клеща Tetranychus urticae Koch., избирательно резистентных к какому-либо из выбранных инсектоакарицидов - малатиону, бифентрину, абамектину или к бромпропилату, а также на гибридах различных вариантов скрещивания клещей этих линий. Гомозиготные линии получены методом дизруптивного отбора при инбредном размножении (Сундуков и др., 2014, 2015). Токсикологическое тестирование сопоставляемых генотипов проводили методом окунания отсчитанных и посаженных на кусочек кормового растения клещей в раствор диагностических (двукратно увеличенных значений СК95 для чувствительных к токсиканту клещей) весовых (в %) концентраций инсектоакарицидов, рассчитанных по действующему веществу препарата. Были использованы препаративные формы токсикантов - малатиона (50 % к. э. [1] карбофоса), бифентрина (10 % к. э. талстара), абамектина (1,8 % к. э. вертимека) и бромпропилата (50 % к. э. неорона). Учет смертности клещей проводили через сутки после окунания их в раствор токсиканта. На третьи сутки результат проверяли. Выживавшие после такой обработки особи считались имеющими ген резистентности к использованному инсектоакарициду. Расчет среднелетальных концентраций и СК95 проведен методом пробит-анализа по Литчфильду и Уилкоксону (Беленький, 1959). Статистическая обработка результатов токсикологических экспериментов - определение ошибки среднеарифметических значений процента смертности, а также коэффициента относительного рассеивания вариант, выполнена по формулам Sp (%) = √ p (100 - p) n ; v= Sp (%) x × 100 (Урбах, 1964). РЕЗУЛЬТАТЫ Тетраниховые клещи относятся к наиболее вредоносным объектам сельскохозяйственных культур. Партеногенетический способ их размножения по типу арренотокии и очень короткий срок онтогенетического развития позволяет им чрезвычайно быстро наращивать численность в осваиваемых биотопах. Самки тетраниховых клещей спариваются только в момент их выхода из линочной шкурки с оказавшимися в этот момент около них самцами. Сперматозоиды, полученные самкой при осеменении, сохраняются в течение жизни в семяприемнике и выходят из него по мере появления очередной созревшей яйцеклетки. Из оплодотворенных яйцеклеток развиваются диплоидные самки, а из неоплодотворенных - гаплоидные самцы. Самки количественно регулируют половую принадлежность особей в воспроизводимых ими генерациях путем оплодотворения определенной части откладываемых яиц. Соотношение самок и самцов с геном резистентности к малатиону в потомстве одной самки из инбредной линии, дизруптивно отобранной по признаку 100 % устойчивости к малатиону, представлено в таблице 1. Вариабельность количества чувствительных к токсиканту самок - без гена резистентности к малатиону - в семьях нового потомства составляла от 0 до 30 %, а у самцов - от 20 до 100 %. Анализ распределения генов резистентности к малатиону в большой выборке клещей - 20 инбредных поколениях дизруптивного отбора показал, что общее количество самок без гена резистентности к токсиканту составляет в среднем около 20 % (табл. 2). Такое состояние гомозиготности селектируемых линий клеща вызывает необходимость экспериментировать с большими выборками и оценивать результаты по среднестатистическим показателям. Для получения межлинейных гибридов и возможной сопоставимости их по фенотипическим показателям проявлений признака резистентности к различным токсикантам была взята в качестве базовой резистентная к малатиону линия клещей. Показатель резистентности (ПР) клещей этой линии после 40 поколений дизруптивного отбора был определен равным 1111 ± 54,1. Этот показатель являлся частным от деления среднелетальных концентраций для самок устойчивой (0,5 ± 0,01; n = 225) и чувствительной (0,00045 ± 0,00002; n = 238) к малатиону линий. По результатам гибридологического анализа выяснено, что признак резистентности к малатиону у клещей является доминантным. В поколении F1 скрещивания самок и самцов резистентной и чувствительной линий с последующим тестированием гибридных самок диагностической концентрацией малатиона распределение по уровням смертности гибридных самок было таким же, как и в резистентной родительской линии (рис. 1). При возвратном скрещивании гибридных самок F1 с самцом чувствительной линии в семьях поколения Fа выявлены две группы дочерних особей после тестирования их диагностической концентрацией малатиона. Такое распределение гибридных самок по уровню смертности в зонах доминантного и рецессивного наследования признака резистентности (см. рис. 1) возможно лишь при моногенном его наследовании с комбинациями гамет у самок Rs и ss. Молекулярным маркером наличия признака резистентности к малатиону у единичных самок паутинных клещей, как было показано выше (Сундуков и др., 2014), является значительно более высокая, чем у самок чувствительной к этому токсиканту линии, активность одной из множественных молекулярных форм карбоксилэстеразы. Полученные показатели перекрестной резистентности (ППР) клещей резистентной к малатиону линии для бифентрина и абамектина свидетельствовали о полном отсутствии сходства биохимических механизмов устойчивости к этим токсикантам. Среднелетальные концентрации бифентрина и абамектина для самок и чувствительной (s), и резистентной (R) к малатиону линии были статистически одинаковыми (табл. 3). Обработка клещей резистентной и чувствительной к малатиону линий набором различных концентраций бромпропилата показала некоторое сходство механизмов противодействия отравлению этим токсикантом и малатионом. Среднелетальная концентрация бромпропилата для резистентных к малатиону самок была в 30 раз более высокой, чем для клещей чувствительной к малатиону линии (см. табл. 3). Вариантами различных комбинаций скрещивания резистентных к малатиону клещей с клещами, отселектированными по факту проявления признака резистентности к бифентрину, абамектину и бромпропилату, исследован характер взаимодействия у межлинейных гибридов генов резистентности к этим токсикантам. Сопоставление проводили по токсикологическим показателям при дифференцированной обработке получаемых генотипов клещей диагностическими концентрациями инсектоакарицидов. Среднестатистический показатель процента смертности межлинейных гибридов с генами резистентности к малатиону и к бифентрину от диагностической концентрации малатиона (табл. 4) был в реципрокных вариантах скрещивания в 1,5-2 раза выше, чем у самок родительской линий с геном резистентности только к малатиону (см. табл. 2). При действии на таких же гибридных самок диагностической концентрацией бифентрина их среднестатистическая смертность увеличивалась более чем в 2 раза (см. табл. 4), по сравнению с уровнем смертности самок (28,9 ± 5,0 %) в линии клещей с признаком резистентности только к бифентрину (Сундуков и др., 2015). Увеличение процента смертности межлинейных гибридных самок от диагностических концентраций токсикантов по сравнению с клещами гомозиготных линий, проявлялось также при совмещении в их геноме аллелей резистентности к малатиону и абамектину, малатиону и бромпропилату (см. табл. 4). Среднестатистическое значение процента смертности самок от диагностической концентрации абамектина в линии клещей с геном резистентности только к этому токсиканту составляло 29,4 ± 4,0 %, а при действии бромпропилата в отселектированной на устойчивость к нему линии - 26,6 ± 2,3 % (Сундуков и др., 2015). Уровень смертности гибридных самок различался в зависимости от того, совмещались ли в геноме клещей доминантные аллели резистентности (к малатиону) с рецессивными аллелями химически неродственного по механизму действия токсиканта (см. табл. 3) - бифентрина или с доминантными аллелями резистентности также совершенно неродственного по токсическому действию соединения - абамектина. Процент смертности гибридных самок с генами резистентности к малатиону и к бифентрину от диагностической концентрации бифентрина был существенно выше, чем от диагностической концентрации абамектина у гибридов с генами резистентности к малатиону и к абамектину (см. табл. 4). Достоверных различий в проценте смертности межлинейных гибридных самок от диагностических концентраций токсикантов в вариантах реципрокных скрещиваний, когда одни и те же аллели резистентности оказывались в геноме гибридных особей от диплоидных самок или от гаплоидных самцов, не выявлено (см. табл. 4). Графический анализ количественного распределения по уровням смертности гибридных самок с совмещенными аллелями резистентности к малатиону и к бифентрину выявил различия в проявляющейся у них ответной физиологической реакции на отравление отдельно каждым из этих токсикантов. При обработке таких межлинейных гибридов диагностической концентрацией малатиона основная масса выживающих самок располагалась в зоне доминантного наследования признака (рис. 2), как в поколении F1 гибридологического скрещивания клещей чувствительной и резистентной к этому токсиканту линий (см. рис. 1). При обработке таких же гибридных самок с аллелями резистентности к малатиону и к бифентрину диагностической концентрацией бифентрина процентные градации выживающих в семьях особей (рис. 3) соответствовали расположению кривой поколения F1, получаемого от скрещивания резистентностых и чувствительных к бифентрину клещей (Сундуков и др., 2014), в области рецессивного наследования признака. Эти результаты позволяют заключить, что характер физиолого-биохимической ответной реакции на отравление гибридных самок обыкновенного паутинного клеща с совмещенными в геноме аллелями резистентности к инсектоакарицидам различного механизма действия зависит только от того, какой из токсикантов действует на них в каждом конкретном случае. Присутствующие в геноме межлинейных гибридов аллели резистентности к инсектоакарициду с другим физиологическим механизмом токсического эффекта подавляют фенотипическое выражение гена устойчивости к действующему токсиканту. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Чередование применяемых для защиты сельскохозяйственных культур от вредных членистоногих инсектоакарицидов с различными механизмами токсического действия считается способом, затрудняющим формирование резистентных к ним популяций. Такая антирезистентная стратегия по устоявшемуся представлению, приводит к появлению мультиустойчивых форм вредителей с кумулятивным эффектом устойчивости ко всем компонентам системы в ротационной схеме химических обработок (Leeuwen et al., 2004; Roush, McKenzie, 1987). Как свидетельствуют полученные экспериментальные данные, взаимодействие аллелей резистентности в геноме межлинейных гибридов обыкновенного паутинного клеща является не комплементарным, а эпистатическим. Во всех скомбинированных совмещениях генов резистентности к токсикантам различного механизма действия как минимум в полтора раза увеличивается смертность межлинейных гибридов при отравлении их любым инсектоакарицидом, аллели резистентности к которому присутствуют в геноме гибридных клещей, по сравнению с гомозиготными особями, имеющими ген резистентности только к этому токсиканту. Экстраполируя полученные сведения на проводимые в сельскохозяйственной практике защитные мероприятия можно утверждать, что при замене используемого против членистоногих инсектоакарицида на препарат с другим механизмом токсического действия первоначально всегда будет выявляться ожидаемый удовлетворительный токсический эффект. Высокий уровень резистентности к какому-либо из токсикантов проявится при существенном сдвиге популяционного баланса генотипов в сторону увеличения количества гомозиготных по этому признаку особей. Быстрота такого генотипического преобразования популяции будет зависеть от числа проводимых каждым инсектоакарицидом обработок и количества сезонных генераций вида, против которого направлены истребительные мероприятия. Биология и партеногенетический способ размножения тетраниховых клещей дают им преимущества по сравнению с другими членистоногими для быстрого наращивания численности и ускоренного развития устойчивости к любому пестициду.

About the authors

Oleg V Sundukov

All-Russian Institute of Plant Protection (FSBSI VIZR)

Email: Sunduckov.oleg@yandex.ru
PhD, Senior scientist, Laboratory ecotoxicology

Irina A Tulaeva

All-Russian Institute of Plant Protection (FSBSI VIZR)

Email: zubanov63@yandex.ru
PhD, scientist, Laboratory ecotoxicology

Evgeniy A Zubanov

All-Russian Institute of Plant Protection (FSBSI VIZR)

Email: zubanov63@yandex.ru
scientist, Laboratory ecotoxicology

References

Supplementary files