دراسة تجريبية على سبات خنفساء البطاطس في كولورادو في ظل الظروف الطبيعية
Summary
نقدم هنا طريقة لدراسة سبات خنفساء البطاطس في كولورادو في ظل الظروف الطبيعية للمنطقة المعتدلة بالإضافة إلى تقنية لجمع الخنافس في الشتاء. تسمح هذه الطريقة بالحصول على العدد المطلوب من الأفراد الذين يقضون الشتاء لإجراء تحليلات مختلفة في أي مرحلة من مراحل السبات.
Abstract
واحدة من الآفات الرئيسية للبطاطس Solanum tuberosum L. في المنطقة المعتدلة هي حشرة خنفساء البطاطس كولورادو (CPB). تجرى معظم الدراسات حول مناعة وأمراض CPB خلال مراحل التغذية النشطة. ومع ذلك ، هناك عدد أقل من الدراسات حول مراحل الراحة ، على الرغم من أن هذه الخنافس تقضي معظم دورة حياتها في حالة توقف الشتاء (السبات). في هذا العمل ، تم تطوير واختبار طريقة للتحقيق في سبات CPB في ظل الظروف الطبيعية ، مما يتيح فرصة لجمع عدد كاف من الأفراد في فصل الشتاء. في هذه المقالة ، تم تقييم بقاء CPB ، وتم تحديد العوامل المعدية في مراحل مختلفة من السبات. وزاد معدل الوفيات الناجمة عن انخفاض معدل وفيات الشلل الانفجاري خلال فترة السبات، حيث بلغ الحد الأقصى في نيسان/أبريل وأيار/مايو. تم عزل الفطريات المسببة للأمراض الحشرية (Beauveria و Isaria و Lecanicillium) والبكتيريا Bacillus و Sphingobacterium و Peribacillus و Pseudomonas و Serratia من الحشرات الميتة. كان معدل بقاء الخنافس طوال فترة السبات 61٪. لم يتم العثور على خنافس مجمدة أو مجففة ، مما يشير إلى نجاح الطريقة المقدمة.
Introduction
تعتبر خنفساء البطاطس في كولورادو Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) آفة مهمة لنباتات Solanaceae ، ومعظمها البطاطس Solanum tuberosum L. النطاق الجغرافي لهذا النوع هو أكثر من 16 مليون كم2 ويتوسع باستمرار1. يحتوي CPB على توقف شتوي اختياري ، والسبات إلزامي في المنطقة المعتدلة. يحدث الانقطاع المؤقت بسبب فترة ضوئية قصيرة اليوم ويتم تعديله بواسطة درجة الحرارة1. تقضي هذه الخنافس الشتاء في مرحلة البلوغ عن طريق الحفر في التربة. مع زيادة خطوط العرض ، تمتد مدة فترة السبات. في المنطقة المعتدلة ، خاصة في المناطق الشمالية من مداها ، يستمر فصل الشتاء لمدة تصل إلى 9 أشهر: من أغسطس إلى سبتمبر حتى مايو ويونيو (Noskov et al. ، ملاحظات شخصية). خلال هذه الفترة ، تتعرض CPB – تماما مثل أي حشرة أخرى في المنطقة المعتدلة – لظروف الشتاء غير المواتية ويجب أن تزيد من تحملها للبرد. في الوقت نفسه ، يزيد ملامسة الخنافس للتربة من خطر الإصابة بمختلف الكائنات الحية الدقيقة الانتهازية والمسببة للأمراض2. لذلك ، تحتاج هذه الخنافس إلى الحفاظ على مستوى معين من نشاط الجهاز المناعي أثناء السبات ، وهو أمر مكلف أيضا بالطاقة. ومع ذلك ، حتى لو نجت الحشرة من العدوى ، فقد يقلل المرض من صلابتها الباردة3. تجدر الإشارة إلى أن انخفاض درجة الحرارة ليس هو السبب الوحيد لوفيات الشتاء من CPB. يلعب نقص الأكسجين دورا مهما أيضا ، وفي ظل بعض الظروف ، يمكن أن يكون العامل الرئيسي لوفيات الشتاء 4,5.
من المعروف أن معدل الوفيات الشتوي الطبيعي ل CPB يمكن أن يكون مرتفعا جدا ، حيث يصل إلى 100٪ في التربة الطينيةالطينية 6. وبالتالي ، فإن فصل الشتاء هو واحد من أكثر الفترات أهمية في دورة حياة CPB. ومع ذلك ، لا تزال البيانات المتعلقة بعلم وظائف الأعضاء ، ونشاط الجهاز المناعي ، والبقاء على قيد الحياة ، وغيرها من المعلمات لسبات CPB في ظل الظروف الطبيعية محدودة. هناك دراسات حول التعبير الجيني التفاضلي والمعلمات الفسيولوجية المختلفة في البالغين CPB أثناء التوقف واستجابة للصدمة الباردة7،8،9،10،11،12 ؛ ومع ذلك ، فقد تم إجراء هذه التحليلات بشكل أساسي عن طريق تحريض الإجهاد المؤقت أو البارد في ظل ظروف المختبر دون تقلبات طبيعية في درجة الحرارة والرطوبة وحمل مسببات الأمراض المحلية. ومع ذلك ، فإن البحث في فسيولوجيا هذه الخنافس التي تم جمعها عن طريق التنقيب من التربة في ظل الظروف الطبيعية أمر مهم. تمت دراسة جوانب مختلفة من CPB overwintering في ظل الظروف الطبيعية بنشاط في سبعينيات القرن العشرين-ثمانينيات القرن العشرين13،14،15،16،17،18. من ناحية أخرى ، لم تتضمن هذه الدراسات حفر CPB من التربة في الشتاء. بالإضافة إلى ذلك ، لم يتم توفير تقنية للإسبات المتحكم فيه ل CPB ووصف الأقفاص بالتفصيل. وبالتالي ، هناك حاجة إلى التحقيق في فسيولوجيا CPBs التي تقضي الشتاء في البيئات الطبيعية19.
كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير واختبار طريقة للسبات الخاضع للرقابة للبالغين CPB في ظل الظروف الطبيعية. تسمح الطريقة المقترحة بالحصول على العدد المطلوب من أفراد CPB للفحوصات الميكروبيولوجية والمناعية وغيرها أثناء السبات في ظل الظروف الميدانية للمناخ القاري. يمكن تكييف هذه الطريقة وتطبيقها على أنواع الحشرات الأخرى التي تقضي الشتاء في التربة تحت الثلج.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه الدراسة أن الطريقة المقترحة لدراسة فصل الشتاء من CPBs تمكننا من الحصول على عدد كاف من الحشرات في فترات مختلفة من السبات. يعتمد نجاح التقنية المقدمة على عدة عوامل مستقلة ، أهمها الظروف الجوية. في فصل الشتاء البارد الخالي من الثلوج ، قد تتجمد التربة إلى عمق القفص بالكامل. في هذه الحالة…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر زملائنا فلاديمير شيلو وفيرا موروزوف وأوليانا روتسكايا وأولغا بولينوغوفا وأوكسانا توميلوفا على مساعدتهم في تنظيم وتنفيذ الإجراءات الميدانية والمختبرية.
تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الروسية ، المشروع رقم 22-14-00309.
Materials
| Agar-agar bacteriological purified | diaGene | 1806.5000 | |
| Bile Esculin Agar | HiMedia | M972 | |
| Endo Agar | HiMedia | M029 | |
| Glucose monohydrate-D | PanReac Applichem | 143140.1000Φ | |
| Lactic acid | PanReac Applichem | 141034.1211 | |
| Luria-Bertani liquid medium | HiMedia | G009 | |
| 15 ml conical centrifuge tubes | Axygen | SCT-15ML-25-S | |
| Peptone | FBIS SRCAMB | M 030/O61 |
|
| Phosphate buffered saline | Medigen | PBS500 | |
| Temperatutre and humidity datalogger Ecklerk-M-11 | Relsib | Waterproof datalogger |
References
- Alyokhin, A., Benkovskaya, G., Udalov, M. Colorado potato beetle. Insect Pests of Potato. , 29-43 (2022).
- Alyokhin, A., Kryukov, V. Ecology of a potato field. Insect Pests of Potato. , 451-462 (2022).
- Lee Jr, R. E., Costanzo, J. P., Kaufman, P. E., Lee, M. R., Wyman, J. A. Ice-nucleating active bacteria reduce the cold-hardiness of the freeze-intolerant Colorado potato beetle (Coleoptera: Chrysomelidae). Journal of Economic Entomology. 87 (2), 377-381 (1994).
- Ushatinskaja, R. S. Diapause of insects and its modifications. Journal of General Biology. 34, 194-215 (1973).
- Zheng, X. L., et al. Effect of soil moisture on overwintering pupae in Spodopteraexigua (Lepidoptera: Noctuidae). Applied Entomology and Zoology. 48, 365-371 (2013).
- Hiiesaar, K., Metspalu, L., Jõudu, J., Jõgar, K. Over-wintering of the Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) in field conditions and factors affecting its population density in Estonia. Agronomy Research. 4 (1), 21-30 (2006).
- Yocum, G. D., Rinehart, J. P., Chirumamilla-Chapara, A., Larson, M. L. Characterization of gene expression patterns during the initiation and maintenance phases of diapause in the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata. Journal of Insect Physiology. 55 (1), 32-39 (2009).
- Yocum, G. D., Buckner, J. S., Fatland, C. L. A comparison of internal and external lipids of nondiapausing and diapause initiation phase adult Colorado potato beetles, Leptinotarsa decemlineata. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology. 159 (3), 163-170 (2011).
- Nikonorov, Y. M., Syrtlanova, L. A., Kitaev, K. A., Benkovskaya, G. V. Transcription activity of genes involved in diapause regulation in the Colorado Potato beetle and its change under a fipronil impact. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 8, 80-86 (2018).
- Govaere, L., et al. Transcriptome and proteome analyses to investigate the molecular underpinnings of cold response in the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata. Cryobiology. 88, 54-63 (2019).
- Lehmann, P., Westberg, M., Tang, P., Lindström, L., Käkelä, R. The diapause lipidomes of three closely related beetle species reveal mechanisms for tolerating energetic and cold stress in high-latitude seasonal environments. Frontiers in Physiology. 11, 576617 (2020).
- Lebenzon, J. E., Torson, A. S., Sinclair, B. J. Diapause differentially modulates the transcriptomes of fat body and flight muscle in the Colorado potato beetle. Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics. 40, 100906 (2021).
- Lashomb, J. H., Ng, Y. S., Ghidiu, G., Green, E. Description of spring emergence by the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata (Say) (Coleoptera: Chrysomelidae), in New Jersey. Environmental entomology. 13 (3), 907-910 (1984).
- Cantwell, G. E., Cantelo, W. W., Schroder, R. F. Effect of Beauveria bassiana on underground stages of the Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata (Coleoptera: Chrysomelidae). The Great Lakes Entomologist. 19 (2), 6 (1986).
- Fedorko, A., Bajan, C., Kmitowa, K., Wojciehowska, M. Effectiveness of the use of selected microorganisms to control the Colorado beetle during hibernation. Ecological Studies. 3 (2), 127-134 (1977).
- Gaugler, R., Costa, S. D., Lashomb, J. Stability and efficacy of Beauveria bassiana soil inoculations. Environmental Entomology. 18 (3), 412-417 (1989).
- Bajan, C., Kmitowa, K. Contribution of entomopathogenic fungi to the natural winter reduction of Colorado beetle adults. Polish Ecological Studies. 3 (2), 107-114 (1977).
- Milner, M., Kung, K. S., Wyman, J. A., Feldman, J., Nordheim, E. Enhancing overwintering mortality of Colorado potato beetle (Coleoptera: Chrysomelidae) by manipulating the temperature of its diapause habitat. Journal of Economic Entomology. 85 (5), 1701-1708 (1992).
- Doğan, C., et al. Characterization of calcium signaling proteins from the fat body of the Colorado Potato Beetle, Leptinotarsa decemlineata (Coleoptera: Chrysomelidae): Implications for diapause and lipid metabolism. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 133, 103549 (2021).
- Benkovskaya, G. V., Udalov, M. B. Colorado potato beetle investigations in the south Urals. Nova Science Publishers. , (2011).
- Short, C. A., Hahn, D. A. Fat enough for the winter? Does nutritional status affect diapause. Journal of Insect Physiology. , 104488 (2023).
- McDonald, J. R., Bale, J. S., Walters, K. F. A. Low-temperature mortality and overwintering of the western flower thrips Frankliniella occidentalis (Thysanoptera: Thripidae). Bulletin of Entomological Research. 87 (5), 497-505 (1997).
