On the photoperiodic induction of diapause in first generation hybrids of Harmonia Axyridis (PALL.) (Coleoptera, Coccinellidae)

Full Text

Введение Диапауза, состояние покоя, характеризующееся резким снижением интенсивности метаболизма, остановкой роста и развития, прекращением размножения у имаго, увеличением устойчивости к экстремальным факторам среды и рядом других признаков - необходимый этап сезонного цикла большинства видов насекомых, обитающих вне зоны тропиков. Диапауза - упреждающая реакция, она индуцируется сигнальными факторами среды (важнейшими из них являются температура и длина светового дня) до наступления неблагоприятных условий [3, 4, 10]. Соотношение между фотопериодом (длиной дня), температурой, осадками, наличием корма и другими жизненно важными факторами среды, естественно, зависит от специфики локального климата. Поэтому расселение насекомых за пределы исходного ареала обычно требует соответствующих изменений фотопериодических реакций, а биологические инвазии, как и преднамеренная интродукция полезных видов, предоставляют уникальную возможность изучения механизмов приспособления к новым параметрам окружающей среды [9]. Объект нашего исследования, хищная божья коровка Harmonia axyridis (Pallas) (Coleoptera, Coccinellidae), долгое время успешно использовалась для биологической борьбы с вредными насекомыми, но несколько десятилетий назад неожиданно оказалась способной проникать в естественные биоценозы. К настоящему времени инвазионные популяции H. axyridis найдены более чем в 40 странах Европы, Америки и Африки [12], в том числе и на территории России [18]. В качестве предпосылок этой инвазии рассматривали самые разные особенности биологии H. axyridis [12, 14]. В частности, выяснилось, что у представителей инвазионных популяций по сравнению с автохтонными ослаблена фотопериодическая реакция, способствующая индукции зимней репродуктивной диапаузы при осеннем сокращении длины дня [11]. Возможно, такая особенность биологии обеспечивает инвайдерам быструю адаптацию к любому климату, так как при ослаблении фотопериодической реакции диапауза индуцируется отсутствием белкового корма (тлей), а этот сигнальный фактор, в отличие от длины дня, не зависит от широты местности, но напрямую связан с приближением зимы. Целью данной работы было изучение фотопериодической индукции диапаузы у гибридных особей, полученных от скрещивания между представителями автохтонной и инвазионной популяций H. axyridis. Наследование различных особенностей фотопериодической реакции было изучено у ряда видов насекомых [4, 13]. В семействе Coccinellidae была исследована только Coccinella septempunctata L. [10, 15]. С H. axyridis подобные работы не проводили. Следует отметить, что особи из инвазионных и автохтонных популяций могут скрещиваться и в естественных условиях, причем результаты такой гибридизации, возможно, скажутся на дальнейшем ходе инвазии [12, 17]. Материал и методика В работе были использованы лабораторные популяции H. axyridis, происходящие от 670 имаго, собранных 18.07.2015-28.07.2015 в зоне инвазии (г. Сочи), и 420 имаго, собранных 31.07.2015 в пределах исходного ареала (г. Иркутск). Разведение насекомых происходило в Лаборатории биометода ВИЗР при температуре 20-25 °C, продолжительности светового дня 18 ч и питании разными видами тлей. Особей 1-го лабораторного поколения скрещивали в Лаборатории экспериментальной энтомологии ЗИН при температуре 20 °C, продолжительности светового дня 18 ч и питании личинками и имаго персиковой тли Myzus persicae (Sulz.) (Hemiptera: Aphididae), разводимой на проростках бобов Vicia faba L. Для этого имаго сразу после выхода из куколки объединяли в пары соответственно схеме опыта. На каждый из 4 вариантов реципрокных скрещиваний ставили по 3 пары насекомых, которых помещали в пластиковые чашки Петри размером 90 × 15 мм. Отложенные яйца инкубировали при тех же условиях, а вылупившихся личинок, числом не менее 30 штук на каждую пару жуков, использовали в тесте на фотопериодическую индукцию диапаузы. Подопытных личинок содержали при стандартных условиях кормления и режиме температуры, но при коротком 12-часовом дне. Предшествующие исследования показали, что короткий световой день индуцирует диапаузу у особей из автохтонных популяций гораздо сильнее, чем у особей из инвазионных популяций [11]. После выхода имаго их также попарно рассаживали в чашки Петри в количестве от 9 до 14 пар потомков на каждую родительскую пару. Взрослых жуков содержали при тех же условиях, что и личинок, и через 20 дней вскрыли. Имагинальная диапауза насекомых проявляется прежде всего в прекращении размножения. В этой связи, согласно предыдущим исследованиям, диапаузирующих самок отличали от активных по состоянию яичников [11]. Так, у диапаузирующих особей присутствуют только гермарии, а у созревающих - фолликулы и ооциты. Всего было проанализировано 125 самок, полученных от 11 родительских пар. Одна из родительских самок погибла, не отложив яиц. Для выявления гетерогенности распределения созревающих и диапаузирующих особей в потомстве разных родительских пар использовали критерий «хи квадрат». Единицей варьирования служила одна гибридная самка. Множественные сравнения осуществляли с помощью дисперсионного анализа с применением поправки Тьюки. Единицей варьирования при этом было потомство одной пары божьих коровок. Показатель доли созревающих самок для проведения статистического анализа был подвергнут преобразованию Фишера [5]. результаты Анализ распределения созревающих и диапаузирующих особей в потомстве разных родительских пар H. axyridis выявил существенную гетерогенность (χ2 = 42,1, n = 125, df = 10, p < 0,001), при этом в пределах каждого варианта скрещивания различия были недостоверными (p > 0,2). Дисперсионный анализ показал достоверное влияние варианта скрещивания на долю диапаузирующих особей (F = 15,4, n = 11, df = 3, p = 0,002). В потомстве самок и самцов из инвазионной популяции г. Сочи доля диапаузирующих особей была в 7-8 раз ниже (p < 0,01), чем в потомстве остальных вариантов скрещивания, различия между которыми оказались недостоверными (табл. 1). обсуждение Полученные результаты показывают, что у гибридов F1 от скрещивания особей H. axyridis из популяций г. Сочи и г. Иркутска преобладает способность к индукции диапаузы под влиянием короткого дня. Вклад самки и самца в детерминацию данного признака у потомства оказался одинаковым, о чем свидетельствует отсутствие достоверных различий между результатами реципрокных скрещиваний. Ранее проведенные исследования на других видах насекомых продемонстрировали противоречивые результаты [4, 13]. Так, реципрокные скрещивания между особями из северных и южных популяций мухи Calliphora vicina R.-D. (Diptera, Calliphoridae) показали, что индукция личиночной диапаузы у потомства определяется генотипом самки, в то время как продолжительность диапаузы зависит также и от генотипа самца [1, 13]. Фотопериодическая реакция гибридов от скрещивания особей из разных популяций отдельных видов чешуекрылых оказалась промежуточной по сравнению с реакциями самца и самки, что свидетельствует об аддитивности действия генов [3, 4, 19]. Межпопуляционные гибриды мухи Drosophila littoralis Meigen (Diptera, Drosophilidae) также проявляли промежуточные признаки фотопериодической реакции, но при этом наблюдалось неполное доминирование способности вступать в диапаузу [4]. Скрещивание диапаузирующих и неспособных к диапаузе подвидов комара Culex pipiens L. (Diptera, Culicidae) и златоглазки Chrysopa carnea Stephens (Neuroptera, Chrysopidae) показало, что у их гибридов преобладает состояние неспособности к диапаузе [2, 4]. Таким образом, имеющиеся данные литературы демонстрируют большое разнообразие генетического контроля важного для насекомых признака, связанного с индукцией и продолжительностью диапаузы [6]. По всей видимости, это определяется многочисленностью видов и их жизненных форм, сформировавшихся в процессе эволюции. В этой связи планируемые дальнейшие эксперименты с изучением проявления признака индукции диапаузы у гибридов второго поколения и возвратных скрещиваний позволят сделать конкретные выводы о наследуемости данного признака у H. axyridis. Следует заметить, что по результатам нашего исследования гибридные потомки первого поколения, возникшие в результате скрещивания особей H. axyridis из автохтонной (диапаузирующих под влиянием короткого дня) и инвазионной (имеющих слабую фотопериодическую реакцию) популяций, наследуют сильную фотопериодическую реакцию родительских особей из автохтонной популяции. При этом потомство самцов и самок из инвазионной популяции сохраняет относительную независимость репродуктивного созревания от длины дня, что обеспечивает выживание значительной части смешанной популяции при любой сезонной динамике климата. Имеющая место межпопуляционная гибридизация, повышающая генетическое разнообразие, также рассматривается другими авторами как важная предпосылка стремительной инвазии H. axyridis [7, 8, 12, 17]. Авторы выражают глубокую благодарность Л. С. Раменской и О. С. Безман-Мосейко (ЗИН) за помощь в проведении экспериментов. Работа была проведена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 15-29-02526 офи_м «Комплексное исследование биологических инвазий и антропогенного влияния на экосистемы») и при участии ЗИН РАН (тема № 01201351183 «Морфологические и экофизиологические адаптации насекомых как компонент общего биоразнообразия»).

About the authors

Sergey Ya Reznik

Zoological Institute RAS

Email: reznik1952@mail.ru
Head of Laboratory of Experimental Entomology

Andrey N Ovchinnikov

Zoological Institute RAS

Email: Andrey.Ovchinnikov@zin.ru
Researcher, Laboratory of Experimental Entomology

Antonina A Ovchinnikova

Zoological Institute RAS

Email: enoty@mail.ru
Junior Researcher, Laboratory of Experimental Entomology

Natalia A Belyakova

All-Russian Institute of Plant Protection

Email: belyakovana@yandex.ru
Head of Laboratory of Biological Control

Larisa V Barabanova

St Petersburg State University

Email: lbarabanova@mail.ru
Associate Professor, Department of Genetics & Biotechnology

References

Supplementary files