Een experimenteel onderzoek naar de winterslaap van coloradokever onder natuurlijke omstandigheden
Summary
Hier presenteren we een methode voor het bestuderen van de winterslaap van coloradokever onder de natuurlijke omstandigheden van de gematigde zone, evenals een techniek voor het verzamelen van kevers in de winter. Deze methode maakt het mogelijk om in elk stadium van de winterslaap een gewenst aantal overwinterende individuen te verkrijgen voor verschillende analyses.
Abstract
Een van de belangrijkste plagen van aardappel Solanum tuberosum L. in de gematigde zone is het insect coloradokever (CPB). De meeste onderzoeken naar de immuniteit en ziekten van het CPB worden uitgevoerd tijdens actieve voedingsfasen. Desalniettemin zijn er minder studies over ruststadia, hoewel deze kevers het grootste deel van hun levenscyclus in een staat van winterdiapauze (winterslaap) doorbrengen. In dit werk is een methode ontwikkeld en getest om de CPB-winterslaap onder natuurlijke omstandigheden te onderzoeken, die de mogelijkheid biedt om in de winter voldoende individuen te verzamelen. In dit artikel werd de overleving van het CPB beoordeeld en werden infectieuze agentia in verschillende stadia van de winterslaap geïdentificeerd. De CPB-sterfte nam toe tijdens de winterslaap en bereikte een maximum in april-mei. Entomopathogene schimmels (Beauveria, Isaria en Lecanicillium) en bacteriën Bacillus, Sphingobacterium, Peribacillus, Pseudomonas en Serratia werden geïsoleerd uit de dode insecten. Het overlevingspercentage van de kevers gedurende de gehele winterslaap was 61%. Er werden geen bevroren of uitgedroogde kevers gevonden, wat wijst op het succes van de gepresenteerde methode.
Introduction
De coloradokever Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) is een belangrijke plaag van Solanaceae-planten, voornamelijk aardappel Solanum tuberosum L. Het geografische verspreidingsgebied van deze soort is meer dan 16 miljoenkm2 en breidt zich voortdurend uit1. Het CPB heeft facultatieve winterdiapauze en winterslaap is verplicht in de gematigde zone. De diapauze wordt geïnduceerd door een fotoperiode van een korte dag en gemoduleerd door temperatuur1. Deze kevers overwinteren in het volwassen stadium door zich in de grond in te graven. Met toenemende breedtegraden wordt de duur van de winterslaap langer. In de gematigde zone, vooral op de noordelijke gebieden van zijn verspreidingsgebied, duurt de overwintering tot 9 maanden: van augustus-september tot mei-juni (Noskov et al., persoonlijke observaties). In deze periode wordt het CPB – net als elk ander insect in de gematigde zone – blootgesteld aan ongunstige winterse omstandigheden en moet het zijn koudetolerantie verhogen. Tegelijkertijd verhoogt contact van de kevers met de bodem het risico op infectie door verschillende opportunistische en pathogene micro-organismen2. Daarom moeten deze kevers tijdens de winterslaap een bepaald niveau van activiteit van het immuunsysteem behouden, wat ook energetisch kostbaar is. Desalniettemin, zelfs als het insect een infectie overleeft, kan de ziekte zijn winterhardheid verminderen3. Opgemerkt moet worden dat lage temperatuur niet de enige reden is voor wintersterfte van het CPB. Een belangrijke rol wordt ook gespeeld door het gebrek aan zuurstof, en onder bepaalde omstandigheden zou het de belangrijkste factor kunnen zijn van wintersterfte 4,5.
Het is bekend dat de natuurlijke wintersterfte van het CPB zeer hoog kan zijn, tot 100% in kleileemgronden6. Overwinteren is dus een van de meest cruciale periodes in de levenscyclus van het CPB. Niettemin zijn gegevens over de fysiologie, de activiteit van het immuunsysteem, de overleving en andere parameters van de CPB-winterslaap onder natuurlijke omstandigheden nog steeds beperkt. Er zijn studies naar differentiële genexpressie en verschillende fysiologische parameters bij CPB-volwassenen tijdens de diapauze en als reactie op een koudeschok 7,8,9,10,11,12; Deze analyses zijn echter voornamelijk uitgevoerd door inductie van diapauze of koudestress onder laboratoriumomstandigheden zonder natuurlijke schommelingen in temperatuur, vochtigheid en inheemse pathogene belasting. Niettemin is onderzoek naar de fysiologie van deze kevers die onder natuurlijke omstandigheden uit de bodem zijn verzameld, belangrijk. In de jaren 1970-1980 werden verschillende aspecten van CPB-overwintering onder natuurlijke omstandigheden actief bestudeerd 13,14,15,16,17,18. Aan de andere kant was er bij deze onderzoeken geen sprake van CPB-ontgraving uit de bodem in de winter. Daarnaast wordt een techniek voor gecontroleerde winterslaap van het CPB en een beschrijving van de kooien niet in detail gegeven. Onderzoek naar de fysiologie van CPB’s die in natuurlijke omgevingen overwinteren is dus nodig19.
Het doel van dit onderzoek was het ontwikkelen en testen van een methode voor gecontroleerde winterslaap van CPB-volwassenen onder natuurlijke omstandigheden. De voorgestelde methode maakt het mogelijk om een gewenst aantal CPB-individuen te verkrijgen voor microbiologische, immunologische en andere tests tijdens de winterslaap onder veldomstandigheden van een continentaal klimaat. Deze methode kan worden aangepast en toegepast op andere insectensoorten die overwinteren in grond onder sneeuw.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie laat zien dat de voorgestelde methode voor het bestuderen van de overwintering van CPB’s ons in staat stelt om voldoende insecten te verkrijgen in verschillende winterslaapperiodes. Het succes van de gepresenteerde techniek hangt af van verschillende onafhankelijke factoren, waarvan de weersomstandigheden de belangrijkste zijn. In een koude, sneeuwloze winter kan de grond tot de gehele diepte van de kooi bevriezen. In dit geval neemt het risico op overlijden van alle kevers aanzienlijk toe18…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken onze collega’s Vladimir Shilo, Vera Morozovа, Ulyana Rotskaya, Olga Polenogova en Oksana Tomilova voor hun hulp bij het organiseren en uitvoeren van de veld- en laboratoriumprocedures.
Het onderzoek werd ondersteund door de Russian Science Foundation, project nr. 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).
