научная статья по теме ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ (13C/12C И 15N/14N) РАЗНЫХ ТКАНЕЙ ЖЕСТКОКРЫЛЫХ НАСЕКОМЫХ (COLEOPTERA) И ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ В ОНТОГЕНЕЗЕ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ (13C/12C И 15N/14N) РАЗНЫХ ТКАНЕЙ ЖЕСТКОКРЫЛЫХ НАСЕКОМЫХ (COLEOPTERA) И ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ В ОНТОГЕНЕЗЕ»

УДК 595.76

изотопный состав (13c/12c и 15n/14n) разных тканей жесткокрылых насекомых (coleoptera) и его изменения в онтогенезе © 2015 г. С. М. Цуриков1, А. А. Гончаров2, А. В. Тиунов2

биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва 119991, Россия e-mail: smtsurikov@rambler.ru 2Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва 119071, Россия

Поступила в редакцию 15.01.2014 г.

Изотопный анализ широко применяется для исследования структуры трофических сетей и трофических связей организмов. Методы изотопного анализа быстро развиваются, однако многие практически важные вопросы все еще плохо проработаны. При исследовании изотопного состава крупных насекомых необходимо принимать во внимание вариабельность величин s13C и s15N разных тканей и органов, а также возможные изменения изотопного состава тканей при метаморфозе. Уличинок и имаго жуков-носорогов Oryctes nasicornis и чернотелок Uloma rufa из природных популяций диапазон величин s13C и s15N в пределах одной особи достигал 4.8 и 2.4%е, соответственно. Мы полагаем, что использование для изотопного анализа мышечной ткани или конечностей насекомых позволяет получить результаты, которые легче всего поддаются интерпретации. На примере O. nasicornis и U. rufa, а также малого мучного хрущака (Tribolium confusum) из лабораторной культуры показано, что метаморфоз не приводит к существенному изменению изотопного состава азота в тканях жуков. Изменения величины s13C в процессе онтогенеза связаны преимущественно с изменением массовой доли жировой ткани. Величина трофического фракционирования изотопов углерода (д13С) и азота (a15N) личинок и имаго T. confusum зависела от типа пищи, но в целом соответствовала ожидаемым величинам, от —1 до 1.5% для д13С и от 3 до 5% для a15N.

Ключевые слова: Scarabaeidae, Tenebrionidae, Oryctes nasicornis, Uloma rufa, Tribolium confusum, стабильные изотопы, трофическое фракционирование изотопов, метаморфоз, липиды.

DOI: 10.7868/S0044513415030149

Изотопный анализ широко применяется для исследования структуры трофических сетей и трофических связей организмов. Методы изотопного анализа, в том числе способы сбора и обработки биологического материала, быстро развиваются (Tarroux et al., 2010; Krab et al., 2012). Однако многие практически важные вопросы все еще плохо проработаны. Изотопный состав (соотношение 13С/12С и 15N/14N) разных органических соединений, составляющих ткани живых организмов, не одинаков. В частности, липиды и хитин обеднены 13С и 15N по сравнению с белками (Webb et al., 1998). Разные ткани и части тела насекомых значительно различаются по массовому содержанию мышечных белков, хитина и липи-дов, что приводит к различиям в их изотопном составе (Wehi, Hicks, 2010). Существенная вариация изотопного состава углерода (S13C) и азота (S15N) в пределах одного организма была показана на примере позвоночных (Vanderklift, Ponsard, 2003; Caut et al., 2009), диплопод (Семенюк, Тиунов, 2011), прямокрылых (Wehi, Hicks, 2010) и тлей

(Perkins et al., 2013). В связи с этим при экологических исследованиях крупных беспозвоночных встает вопрос корректного выбора частей тела или органов для изотопного анализа. Решение этого вопроса затруднено недостатком опубликованных сведений об изотопном составе разных тканей насекомых (DeNiro, Epstein, 1978, 1981; Gratton, Forbes, 2006; Tibbets et al., 2008). Для характеристики изотопного состава в разных исследованиях использовали отдельные сегменты тела или тагмы (Tillberg et al., 2006; Traugott et al., 2007), внутренние органы (Perkins et al., 2013), наружный скелет (Tayasu et al., 2002). Но в большинстве опубликованных работ для анализа использовали целых насекомых.

Развитие с полным превращением, характерное для некоторых отрядов насекомых, сопровождается сложными биохимическими превращениями в процессе метаморфоза (Шванвич, 1949), что может приводить к изменению изотопного состава тканей особи. Действительно, для нескольких видов насекомых показано увеличе-

Таблица 1. Изотопный состав углерода и азота (величины a13C, a15N), а также массовое соотношение C/N в разных частях тела и органах личинок Oryctes nasicornis (n = 5) и Uloma rufa (n = 4)

Части тела Oryctes nasicornis Uloma rufa

a13C, %% a15n, % C/N a13C, % a15n, % C/N

Голова 0.6 ± 0.3 a 2.4 ± 0.5 ab 4.7 ± 0.1 a 3.1 ± 0.4 a 1.7 ± 0.1 b 4.3 ± 0.2 a

Ноги 1.1 ± 0.3 a 2.5 ± 0.8 ab 4.4 ± 0.1 a - - -

Покровы 0.1 ± 0.5 a 0.6 ± 0.3 a 4.4 ± 0.1 a 2.4 ± 0.3 a 0.7 ± 0.3 a 4.7 ± 0.2 a

Мышцы 0.5 ± 0.8 a 3.0 ± 0.2 b 5.5 ± 0.8 a 4.0 ± 0.1 a 2.8 ± 0.1 c 3.9 ± 0.1 a

Стенка кишки -0.2 ± 0.2 a 2.4 ± 0.6 ab 5.6 ± 0.4 a 2.7 ± 0.5 a 2.3 ± 0.2 bc 7.2 ± 1.9 a

Жировое тело -3.1 ± 0.7 b 3.0 ± 0.3 b 21.4 ± 3.4 b - - -

Примечание. Разные буквы означают значимую (p < 0.05) разницу между тканями в пределах каждого столбца (Tukey HSD test).

Таблица 2. Изотопный состав углерода и азота (величины a13C, a15N), а также массовое соотношение C/N в разных частях тела и органах имаго Oryctes nasicornis (n = 5) и Uloma rufa (n = 4)

Части тела Oryctes nasicornis Uloma rufa

a13 C, % a15n, % C/N a13 C, % a15N, % C/N

Голова -0.8 ± 0.4 ab 2.6 ± 0.2 ab 5.5 ± 0.3 a 2.8 ± 0.1 a 2.2 ± 0.2 b 4.6 ± 0.2 a

Ноги 1.0 ± 0.2 cb 3.1 ± 0.2 b 4.1 ± 0.1 a 2.7 ± 0.2 a 2.2 ± 0.1 b 4.4 ± 0.1 a

Покровы 0.6 ± 0.2 cb 2.7 ± 0.2 ab 4.3 ± 0.1 a - - -

Крылья 1.8 ± 0.4 c 4.0 ± 0.3 b 3.9 ± 0.1 a 2.8 ± 0.2 a 2.6 ± 0.1 ab 4.7 ± 0.3 a

Надкрылья -0.5 ± 0.1 b 2.1 ± 0.1 a 5.1 ± 0.1 a 2.8 ± 0.1 a 1.6 ± 0.1 b 4.5 ± 0.1 a

Мышцы 0.6 ± 0.7 cb 3.0 ± 0.2 ab 4.7 ± 0.7 a 3.3 ± 0.3 a 3.0 ± 0.1 a 4.1 ± 0.1 a

Гонады 0.1 ± 0.4 cb 2.8 ± 0.2 ab 5.2 ± 0.3 a 3.1 ± 0.4 a 3.3 ± 0.2 a 4.4 ± 0.3 a

Мальпигиевы сосуды -0.2 ± 0.7 cb 2.2 ± 0.2 a 5.3 ± 0.7 a - - -

Стенка кишки 0.6 ± 0.3 cb 2.2 ± 0.5 a 4.4 ± 0.1 a 2.4 ± 0.4 a 2.3 ± 0.3 ab 6.4 ± 1.2 a

Жировое тело -3.0 ± 0.8 a 1.7 ± 0.5 a 15.7 ± 5.6 b - - -

Примечание. Разные буквы означают значимую (p < 0.05) разницу между тканями в пределах каждого столбца (Tukey HSD test).

ние содержания 15М у имаго по сравнению с личинками (Эо1 й а1., 2007; ТЪЪе18 й а1., 2008). Однако вопрос о том, в какой степени изотопный состав молодого имаго отражает изотопный состав личинок, остается почти не проработанным.

Целью данной работы было исследование изотопного состава разных частей тела личинок и имаго жесткокрылых и изменений изотопного состава тканей в онтогенезе насекомых с полным превращением.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Для исследования изотопного состава отдельных органов насекомых и различий онтогенетических стадий были использованы личинки и имаго жука-носорога обыкновенного (0гу&ез па-

sicornis (L. 1758)) (Scarabaeidae) и чернотелки Uloma rufa Piller et Mitterpacher 1783 (=Uloma perroudi Mulsant et Guillebeau 1855) (Tenebrionidae). Насекомые были собраны в июне 2012 г в отвале опилок де-ревоперерабатывающего комбината в окрестностях г. Шуя Ивановской обл. (56°51' с.ш., 41°22' в.д.). Основным критерием выбора объектов была однородность изотопного состава их пищевого субстрата (разлагающихся опилок). Насекомые были разделены на отдельные ткани и органы: голова, ноги, склеротизированные внешние покровы, крылья, мышцы груди, жировое тело, стенку передней кишки, мальпигиевы сосуды (табл. 1, 2). Фрагменты внешних покровов U.rufa и личинок O. nasicornis были взяты с вентральной части первых брюшных сегментов, у имаго O. nasicornis — с дорсальной части брюшка.

SR U

"é1 44

■ Личинки □ Имаго

о

Я

л л

« я

р

м 3

Л

3

о

Z 2

<

1

25 20

15

U 10

"m m ml

л л « Я

р

м 3

Рис. 1. Изотопный состав углерода (Д13С), азота (Д15К) и массовое соотношение С/К некоторых частей тела личинок и имаго Огу&в8 nasicornis. Средние и стандартная ошибка, п = 5.

5

0

0

Дополнительное исследование изменения изотопного состава на протяжении жизненного цикла было проведено на лабораторной культуре малого мучного хрущака (Tribolium confusum (Jac-quelin du Val 1861)) (Tenebrionidae). В эксперименте использовали два пищевых субстрата: крупу пшеницы (растение с С3 типом фотосинтеза, S13C около —27%) и кукурузы (растение с С4 типом фотосинтеза, S13C около —12%). Личинки содержались при температуре 28°С и относительной влажности воздуха 40%. В ходе эксперимента был произведен отбор насекомых на всех стадиях жизненного цикла, кроме яйца. Личинки были разделены на четыре возрастные группы согласно размеру и длительности развития (Л1—Л4). Далее отбирали насекомых на стадии куколки (К). Среди взрослых жуков выделяли недавно вышедших из куколки молодых имаго с мягкими покровами (ИМ) и зрелых имаго (ИЗ). После извлечения из контейнеров с пищей животных выдерживали в течение 24 ч в пустых сосудах для освобождения кишечника. Поскольку в данном случае нас интересовали онтогенетические изменения изотопного состава целого организма, для анализа был использован гомогенат целой особи.

Образцы тканей O. nasicornis и U. rufa и целые экземпляры T. confusum высушивали при температуре 50°С в течение 48 ч. Высушенных T. confusum перед анализом измельчали в ступке. Изотопный анализ насекомых и образцов пищевых субстратов (n = 4—5) был проведен на комплексе оборудования, состоящем из элементного анализатора Flash 1112 и изотопного масс-спектрометра Thermo Delta V Plus в Центре коллективного пользования при ИПЭЭ РАН. Изотопный состав азота и углерода выражали в тысячных долях отклонения от международного эталона (vPDB и атмосферного N), 8 (%):

^-^образец [(^образец/^эталон) 1] * 1000,

где Х — это элемент (азот или углерод), R — молярное соотношение тяжелого и легкого изотопов соответствующего элемента. Аналитическая погрешность определения изотопного состава азота и углерода не превышала ±0.2%. Помимо изотопного состава, в каждой пробе было определено процентное содержание углерода и азота (%C, %N) и их массовое соотношение (C/N).

Пищевые субстраты исследованных насекомых существенно различались по изотопному составу углерода и азота. Величины 813С и S15N составляли, соответственно, —25.6 ± 0.1 и —1.3 ± 0.2% в древесных опилках; —26.9 ± 0.1 и —2.8

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком