מחקר ניסיוני על תרדמת חורף של חיפושית תפוחי אדמה בקולורדו בתנאים טבעיים
Summary
כאן אנו מציגים שיטה לחקר תרדמת חורף של חיפושיות תפוחי אדמה בקולורדו בתנאים הטבעיים של האזור הממוזג, כמו גם טכניקה לאיסוף חיפושיות בחורף. שיטה זו מאפשרת להשיג מספר רצוי של אנשים חורפים עבור ניתוחים שונים בכל שלב של תרדמה.
Abstract
אחד המזיקים העיקריים של תפוח אדמה Solanum tuberosum L. באזור ממוזג הוא חרק חיפושית תפוחי אדמה קולורדו (CPB). רוב המחקרים על חסינות ומחלות של CPB נערכים במהלך שלבי האכלה פעילה. עם זאת, ישנם פחות מחקרים על שלבי מנוחה, אם כי חיפושיות אלה מבלות את רוב מחזור חייהן במצב של דיאפאוזה חורפית (תרדמת חורף). בעבודה זו פותחה ונבחנה שיטה לחקר תרדמת CPB בתנאים טבעיים, המציעה הזדמנות לאסוף מספר מספיק של פרטים בחורף. במאמר זה הוערכה הישרדות CPB, וזוהו סוכנים זיהומיים בשלבים שונים של תרדמת חורף. התמותה מ-CPB עלתה במהלך תרדמת החורף, והגיעה למקסימום באפריל-מאי. מהחרקים המתים בודדו פטריות אנטומופתוגניות (Beauveria, Isaria ו-Lecanicillium) והחיידקים Bacillus, Sphingobacterium, Peribacillus, Pseudomonas ו-Serratia . שיעור ההישרדות של החיפושיות במשך כל תקופת תרדמת החורף היה 61%. לא נמצאו חיפושיות קפואות או מיובשות, דבר המעיד על הצלחת השיטה המוצגת.
Introduction
חיפושית תפוחי אדמה מקולורדו Leptinotarsa decemlineata Say (CPB) היא מזיק חשוב של צמחי Solanaceae, בעיקר תפוח אדמה Solanum tuberosum L. הטווח הגיאוגרפי של מין זה הוא יותר מ -16 מיליון ק”מ2 ומתרחב כל הזמן1. ל- CPB יש דיאפאוזה חורפית פקולטטיבית, ותרדמת חורף היא חובה באזור הממוזג. הדיאפאוזה נגרמת על ידי פוטופריוד קצר של יום ומווסתת על ידי טמפרטורה1. חיפושיות אלה חורפות בשלב הבוגר על ידי התחפרות באדמה. עם קווי רוחב הולכים וגדלים, משך תקופת תרדמת החורף מתארך. באזור הממוזג, במיוחד בשטחים הצפוניים של טווח התפוצה שלו, החורף נמשך עד 9 חודשים: מאוגוסט-ספטמבר עד מאי-יוני (Noskov et al., תצפיות אישיות). במהלך תקופה זו, CPB – בדיוק כמו כל חרק אחר באזור ממוזג – חשוף לתנאי חורף שליליים חייב להגביר את סובלנותו לקור. יחד עם זאת, מגע של החיפושיות עם הקרקע מגביר את הסיכון לזיהום על ידי מיקרואורגניזמים אופורטוניסטיים ופתוגניים שונים2. לכן, חיפושיות אלה צריכות לשמור על רמה מסוימת של פעילות מערכת החיסון במהלך תרדמת החורף, שגם היא יקרה מבחינה אנרגטית. עם זאת, גם אם החרק שורד זיהום, המחלה עשויה להפחית את קשיות הקור שלו3. יש לציין כי טמפרטורה נמוכה אינה הסיבה היחידה לתמותה בחורף של CPB. תפקיד חשוב הוא גם שיחק על ידי חוסר חמצן, ובתנאים מסוימים, זה יכול להיות הגורם העיקרי של תמותה החורף 4,5.
ידוע כי תמותה טבעית בחורף של CPB יכולה להיות גבוהה מאוד, ולהגיע ל -100% בקרקעות חרסיתיות6. לכן, חורף יתר הוא אחת התקופות המכריעות ביותר במחזור החיים של CPB. עם זאת, נתונים על הפיזיולוגיה, פעילות מערכת החיסון, הישרדות ופרמטרים אחרים של תרדמת CPB בתנאים טבעיים עדיין מוגבלים. ישנם מחקרים על ביטוי גנים דיפרנציאלי ופרמטרים פיזיולוגיים שונים במבוגרים CPB במהלך הדיאפאוזה ובתגובה להלם קור 7,8,9,10,11,12; עם זאת, ניתוחים אלה בוצעו בעיקר על ידי השראת דיאפאוזה או לחץ קר בתנאי מעבדה ללא תנודות טבעיות של טמפרטורה, לחות ועומס פתוגן טבעי. עם זאת, יש חשיבות למחקר על הפיזיולוגיה של חיפושיות אלה שנאספו בחפירה מהקרקע בתנאים טבעיים. היבטים שונים של CPB חורף בתנאים טבעיים נחקרו באופן פעיל בשנות השבעים והשמונים 13,14,15,16,17,18. מצד שני, מחקרים אלה לא כללו חפירת CPB מהאדמה בחורף. בנוסף, טכניקה לתרדמה מבוקרת של CPB ותיאור הכלובים אינם מסופקים בפירוט. לפיכך, יש צורך לחקור את הפיזיולוגיה של CPBs החורפים בסביבה טבעית19.
מטרת מחקר זה הייתה לפתח ולבדוק שיטה לתרדמה מבוקרת של מבוגרים CPB בתנאים טבעיים. השיטה המוצעת מאפשרת להשיג מספר רצוי של אנשים CPB עבור בדיקות מיקרוביולוגיות, אימונולוגיות ואחרות במהלך תרדמת החורף בתנאי שדה של אקלים יבשתי. שיטה זו ניתנת להתאמה וליישום על מיני חרקים אחרים החורפים באדמה תחת שלג.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה מראה כי השיטה המוצעת לחקר חורף היתר של CPB מאפשרת לנו להשיג מספר מספיק של חרקים בתקופות שונות של תרדמת חורף. ההצלחה של הטכניקה המוצגת תלויה במספר גורמים עצמאיים, החשוב שבהם הוא תנאי מזג האוויר. בחורף קר ונטול שלג, הקרקע עלולה לקפוא לכל עומק הכלוב. במקרה זה, הסיכון למוות של כל החיפושיות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לעמיתינו ולדימיר שילה, ורה מורוזובה, אוליאנה רוטסקאיה, אולגה פולנוגובה ואוקסנה טומילובה על עזרתם בארגון וביצוע נהלי השטח והמעבדה.
המחקר נתמך על ידי הקרן הרוסית למדע, פרויקט מס ’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).
