научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО СТРЕССА НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТРЕСС-РЕАКЦИИ ГУСЕНИЦ НЕПАРНОГО ШЕЛКОПРЯДА (LYMANTRIA DISPAR L.) Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО СТРЕССА НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТРЕСС-РЕАКЦИИ ГУСЕНИЦ НЕПАРНОГО ШЕЛКОПРЯДА (LYMANTRIA DISPAR L.)»

ЭКОЛОГИЯ, 2014, № 4, с. 271-277

УДК 630*453

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО СТРЕССА НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТРЕСС-РЕАКЦИИ ГУСЕНИЦ НЕПАРНОГО ШЕЛКОПРЯДА (LYMANTRIA DISPAR L.)

© 2014 г. В. И. Пономарев*, Г. В. Беньковская**, Г. И. Клобуков*

*Ботанический сад УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202а **Институт биохимии и генетики УфНЦРАН 450054 Уфа, просп. Октября, 71 e-mail: v_i_ponomarev@mail.ru; bengal2@yandex.ru Поступила в редакцию 28.06.2013 г.

Эксперименты по влиянию ежедневного теплового стресса на гусениц непарного шелкопряда показали увеличение выживаемости гусениц при низкой адаптированности к корму и снижение выживаемости — при высокой адаптированности. У стрессируемых гусениц отмечено значительное снижение активности ацетилхолинэстеразы и тирозиназы, снижение концентрации производных тирозина. Сделан вывод о возможной связи изменения адаптированности гусениц к корму с перенаправлением производных тирозина с гормонального синтеза на синтез меланина.

Ключевые слова: непарный шелкопряд, тепловой стресс, выживаемость, тирозиназа, ДОФА-оксида-за, активность нейроэндокринной системы.

DOI: 10.7868/S036705971404009X

Глобальное изменение климата в последние десятилетия подтверждает анализ многих показателей внешней среды. Реакции насекомых на изменение климата крайне разнообразны. Накопленный к настоящему времени объем информации позволяет выделить несколько категорий таких реакций у насекомых: изменения ареалов, динамики численности, фенологии, вольтиниз-ма, морфологии, физиологии, поведения, особенностей во взаимоотношениях с другими видами и в структуре сообществ (Мусолин, Саулич, 2012). Однако только изменением давления экологических факторов и биотического пресса объяснить происходящие явления затруднительно. Видимо, возможна оценка экспансии видов и изменения их фенологических показателей с точки зрения стресс-индуцируемой эволюции (Мар-кель, 2000). Согласно сложившимся представлениям, общее, учитывающее клеточный уровень реакции, понятие "стресс" определяется как "...состояние активации неспецифических защитных систем организма (посредством единых нейро-эндокрино-иммунных и внутриклеточных механизмов регуляции), индуцированное внешним воздействием, к которому не могут адаптироваться самые чувствительные клетки этого организма в пределах нормы реакции их генотипа" (Даев, 2007). Стресс-реакция закономерно воз-

никает при действии на организм любых сильных и просто новых факторов окружающей среды. Она не представляет собой самостоятельного явления, а с самого начала реализуется как необходимое звено индивидуальной адаптации организма к среде.

В условиях глобального изменения климата одним из наиболее существенных стресс-факторов для инвазийных видов насекомых является температурный стресс на разных фазах онтогенеза. Способность того или иного вида в зависимости от популяционных характеристик (или нормы реакции популяции) к адаптивному изменению в ответ на температурный стресс может в значительной мере предопределять характер реакции такого вида на климатические изменения. Эксперименты по выработке адаптаций к повышенной температуре воздуха у Drosophila melano-gaster Meigen (Huey, 1992) показали, что эволюция термочувствительности происходит быстрыми темпами, но сопровождается рядом побочных эффектов и находится под влиянием родительского эффекта. Исследования, проведенные на двух расах пчел (Apis mellifera mellifera L. и A. m. caucasica Gorb) выявили достоверные различия в изменении локомоторной активности, динамике активности ферментов фенолоксидазно-

го и гидролазного комплексов при тепловом стрессе (Беньковская, 2009; Удалов и др., 2010).

Оценка степени родительского влияния на развитие температурного стресса и успех адаптации к изменениям термических условий в отношении большинства видов насекомых пока практически не проводилась. Цель данного исследования — изучение влияния теплового стресса на изменения морфофизиологических показателей гусениц непарного шелкопряда (Lymantria dispar L.) в зависимости от степени адаптированности к корму.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектом исследования была зауральская географическая популяция непарного шелкопряда. Яйцекладки для проведения экспериментов собирали осенью в березовых древостоях бывшего Каменск-Уральского лесхоза Покровского лесничества (ныне Свердловское лесничество, Покровский мастерский участок) Свердловской области (56°28'16" с.ш., 61°36'39'' в.д.). С 2005 по 2011 г. в этих древостоях наблюдалась вспышка массового размножения непарного шелкопряда с интенсивной дефолиацией (75% и более) в 2006,

2009 и 2010 гг. Насаждения представлены березой повислой (Betula pendula Roth) с незначительной примесью березы белой (Betula alba L.), VII класс возраста, бонитет II. Тип лесорастительных условий — устойчиво свежие (Колесников и др., 1974). Часть древостоя в первых числах мая 2006 г. была пройдена низовым пожаром. В конце июня-на-чале июля 2006 г. и в конце мая—начале июня 2007 г. и 2008 г. среднесуточные температуры воздуха не менее двух недель опускались ниже 12°C, т.е. держались чуть выше порога физиологической активности гусениц (Кожанчиков, 1950). Следствием этого было снижение адаптированности гусениц к искусственной питательной среде (ИПС), на которой гусениц выращивали в лабораторных условиях. Температурные условия в период питания гусениц в 2009 и 2010 гг. были в пределах нормы.

При проведении экспериментов по влиянию теплового стресса использовали кладки, собранные в 2009 и 2010 г.: в 2009 г. в эксперименте были задействованы кладки из участков древостоя, пройденного и не задетого низовым пожаром, в

2010 г. — кладки из части древостоя, пройденного низовым пожаром. У гусениц, отрождавшихся из кладок, собранных в древостое, пройденном низовым пожаром, синдром пониженной адаптиро-ванности к стандартной ИПС сохранялся вплоть до 2011 г. У гусениц, отрождавшихся из кладок, собранных в древостое, не затронутом низовым пожаром, адаптированность к стандартной ИПС повысилась уже в 2009 г.

Отродившихся из кладок гусениц выращивали в групповом режиме (Пономарев, 1994) как на стандартной ИПС (Ильиных, 1996), так и на ИПС

с добавлением кристаллогидрата сульфата железа (ИПС + Fe2+). В связи со значительными различиями в морфофизиологических показателях гусениц при разной их отрождаемости (Пономарев, 2012) в течение диапаузы проводились тесты на скорость отрождения яиц. Выращивание гусениц начиналось при уровне отрождаемости 90—100% в течение 10 дней после помещения в климатическую камеру при температуре 27°С и влажности 60%. Перед выращиванием кладки перемешивали, отбор яиц проводился случайным методом. Отрождение и выращивание гусениц осуществляли в климатической камере при температуре 27°С и влажности 60% в чашках Петри. Половина гусениц, выращиваемых на каждом варианте питательной среды, проходила ежедневное тепловое стрессирование в термостате в течение часа при температуре 47°С, начиная с 7-го дня выращивания. Температура и длительность стрессирования были подобраны с таким расчетом, чтобы гусеницы во время нахождения в этом режиме не впадали в оцепенение. В одном из вариантов выращивания гусениц из кладок 2009 г. на стандартной ИПС тепловое стрессирование проводили два раза в день (с 10 до 11 ч и с 17 до 18 ч).

Активность ДОФА-оксидазы и тирозиназы определяли с использованием в качестве субстратов L-тирозина (1 мг/мл) (L-tyrosine, Merck, Германия) и L-P-3,4-дигидроксифенилаланина (1 мг/мл L-DOPA, ICN Biomedical Inc., США) в натрий-ацетатном буфере (0.1 М, рН 5.0). Измерения проводили на спектрофотометре BioSpec-mini (Shimadzu) при длине волны 475 нм после 10 мин инкубации реакционной смеси (10 мкл образца в 300 мкл буфера) при +37°С. Активность ацетил-холинэстеразы определяли по Эллману (Ellman etal., 1961), в качестве субстрата использовали ацетилхолиниодид (Merck, Германия; 1 мг/мл 0.1 натрий-фосфатного буфера, рН 7.0). Оптическую плотность измеряли при длине волны 412 нм. Соотношение образца с реакционной смесью составляло 10 мкл на 600 мкл. Уровень содержания катехоламинов определяли по модифицированной методике Ронина (Беньковская, 2009). Суммарное содержание катехоламинов оценивали с использованием калибровочной кривой для адреналина. Концентрацию белка в гомогенатах определяли по методу Бредфорда (Скоупс, 1985). Для анализа индивидуально брали гемолимфу (10—15 мкл) у гусениц 5-го возраста (по 3 повторно-сти). Гусениц из всех вариантов (контрольные и ежедневно стрессировавшиеся) прогревали в термостате при температуре 55°С в различные временные промежутки (от 5 до 20 мин с шагом 5 мин).

Для статистической обработки материала использованы биометрические методы с применением элементарной описательной статистики, дисперсионного анализа в стандартном пакете программ STATISTICA 6.0.

Таблица 1. Влияние теплового стресса на развитие гусениц непарного шелкопряда с различной адаптированно-стью к питанию стандартной ИПС

Вариант N Выживание, Длительность Масса куколок, мг

(состав ИПС, стресс) % до окукливания развития, дни самцы самки

Кладки 2009 г., высокая адаптированность к стандартной ИПС

ИПС, контроль 60 73 а 40.0 ± 0.72 Ь 358 ± 52.5 а 1058 ± 38.6 а

ИПС, 1 прогрев 60 42 Ь 40.1 ± 1.21 Ь 381 ± 33.6 а 877 ± 69.8 Ь

ИПС, 2 прогрева 60 50 Ь 39.9 ± 0.81 Ь 382 ± 15.2 а 815 ± 44.1 Ь

Кладки 2009 г., низкая адаптированность к стандартной ИПС

ИПС, контроль 70 16 Ь 45.3 ± 1.83 с 455 ± 53.5 а 1059 ± 37.1 а

ИПС, прогрев 70 55 а 44.6 ± 0.83 с 401 ± 19.7 а 803 ± 63.1 Ь

ИПС (Бе2+), контроль 70 94 а 32.1 ± 0.38 а 466 ± 19.9 а 1287 ± 48.9 а

ИПС (Бе2+), прогрев 70 86 а 32.6 ± 0.46 а 472 ± 35.5 а 1052 ± 58.6 Ь

Кладки 2010 г., низкая адаптированность к стандартной ИПС

ИПС, контроль 70 26 Ь 48.8 ± 1.52 с 454 ± 19.0 а 1440 ± 130.3 а

ИПС, прогрев 70 64 а 46.1 ± 1.19 с 401 ± 25.1 а 970 ± 57.7 Ь

ИПС (Бе2+), контроль 70 93 а 31.1 ± 0.47 а 554 ± 35.8 а 1378 ± 77.1 а

ИПС (Бе2+), прогрев 70 87 а 31.1 ± 0.46 а 448 ± 9.3 Ь 1021 ± 51.2 Ь

Примечание. Достоверные различия по /-критерию (Р < 0.05) показаны разными буквами; по

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