Паразит на паразите: как патогены помогают бороться с вредными насекомыми?

Энтомологи из Всероссийского института защиты растений совместно с Институтом систематики и экологии животных СО РАН разрабатывают технологии и средства борьбы с луговым мотыльком — одним из опаснейших сельскохозяйственных вредителей. Специально созданный штамм микроба обладает повышенной вирулентностью к этому виду. Результаты исследования опубликованы в Journal of Invertebrate Pathology.

Луговой мотылек — неискоренимый вредитель

Первое научное описание лугового мотылька (современное название Loxostege sticticalis) появились в XVIII веке. В народе его называли метелицей или черным червем. Насекомое пугало фермеров многочисленными потоками гусениц, заполоняющими поля, сады и огороды. Вплоть до сегодняшнего дня этот многоядный вредитель распространен в разных странах и климатических зонах и известен по всей Евразии, хотя вредит сельскому хозяйству преимущественно в России и Китае. Несмотря на критичность для развития вредителя температуры и влажности воздуха, в периоды вспышек массового размножения его не ограничивают ни засуха, ни резкие перемены погоды, тем более что бабочки способны перелетать на дальние расстояния. Например, если вспышка начинается в Китае, то насекомое мигрирует с востока на запад, опустошая сельскохозяйственные угодья в лесостепной и степной зонах России, иногда долетая и до более северных районов. Также предполагается существование постоянных очагов, например в Калмыкии, откуда возможно распространение мотылька с запада на восток. За сезон он способен перелетать на внушительные расстояния, составляющие тысячи километров.

Луговой мотылек особенно опасен в периоды массового размножения, что случается раз в десятилетие, а в промежутках между вспышками он встречается редко. При этом стремительное увеличение численности может продолжаться от одного до нескольких лет. В эти периоды насекомое не только активно уничтожает различные сельскохозяйственные культуры (подсолнечник, свеклу, сою, рапс, кукурузу, люцерну и многие другие), но и распространяется на жилые территории, иногда залетая прямо в дома.

Луговой мотылек на кустах Луговой мотылек на кустах

От сезона к сезону сельскохозяйственные производства применяют всевозможные пестициды для обработки полей. Раньше это насекомое даже пытались травить мышьяком, что несомненно наносило существенный вред окружающей среде. Впрочем, и сегодня для борьбы с гусеницами часто применяют сильнодействующие химические препараты, которые уничтожают полезных насекомых, ощутимо загрязняют почву и продукты питания.

«Луговой мотылек опасен также тем, что развивается очень быстро. От яйца до гусеницы в жарком климате проходит два-пять дней, — рассказала старший научный сотрудник лаборатории сельскохозяйственной энтомологии ФБГНУ ВИЗР кандидат биологических наук Юлия Михайловна Малыш. — При этом насекомое неравномерно распространено в агроценозе, так как бабочки обычно откладывают яйца на отдельных участках полей и огородов, а также за их пределами, поэтому очень легко не заметить вредителя и пропустить оптимальный период обработки, что критично для защиты растений. Фермерам необходимо учитывать, что химические препараты эффективны лишь на ранних стадиях развития гусениц, в течение довольно короткого времени. Как правило, редко удается организовать своевременные масштабные обработки из-за недостатков мониторинга и сигнализации, нехватки материальных и трудовых ресурсов. Когда же обработки проводятся против гусениц старших возрастов, потревоженные вредители могут мигрировать с полей на частные участки, луга, в лесополосы и так далее, где вскоре уходят в землю и окукливаются. Пестициды, которые всё же способны уничтожить гусениц старших возрастов, относятся к сильнодействующим веществам или применяются в высоких дозировках, загрязняя окружающую среду, отравляя растения и производимые из них продукты питания. Что на самом деле хуже для потребителей урожая — вредоносность лугового мотылька или неумеренное использование пестицидов, — это большой вопрос».

Гусеницы в чашках петри при проведении биотестов Гусеницы лугового мотылька в чашках Петри при проведении биотестов

Микроспоридии — неискоренимый паразит

Помимо химикатов и естественных врагов в виде птиц, хищных насекомых и паразитов, отдельную опасность для лугового мотылька представляют патогены, такие как микроспоридии. 

В XIX веке шелководство стало важным сектором текстильной промышленности Европы. Несмотря на то, что в индустриальных странах того времени уже активно производили шелк, спрос на тутового шелкопряда был всё еще высок. Одомашненных насекомых, поставляемых китайскими купцами, начали интенсивно культивировать во Франции, однако вскоре они стали массово погибать от пебрины — болезни, поражавшей насекомых на всех стадиях развития, источник которой не был известен. Эпизоотии уничтожили большинство завезенных культур тутового шелкопряда, что надолго затормозило европейское производство шелка. Проблемой национального масштаба занялись ученые. В 1860-х основоположник микробиологии Луи Пастер установил, что в заболевании виноват определенный инфекционный агент, заражающий насекомых. Загадочным патогеном оказались микроспоридии, таксономическое определение которых стало предметом горячих споров в течение многих лет. Предположения исследователей, основанные на несовершенных методах анализа того времени, варьировали от одноклеточных водорослей и дрожжевых спор до опухолевых клеток и деградированных эритроцитов в крови. Как выяснил Пастер, микроспоридия Nosema bombycis проникает в организм гусениц при поедании листьев шелковицы, на которые попали споры из больных особей. В конце концов французский биолог предложил меры по профилактике и борьбе с пебриной, которые не только помогли спасти шелковую промышленность, но и послужили доказательной базой его микробной теории инфекционных заболеваний.

Микроспоридии — одноклеточные эукариотические микроорганизмы, родственные грибам, распространяющиеся спорами, в оболочке которых содержится хитин. Для жизни и развития им необходимо паразитирование в живой клетке. За пределами организма насекомых и других животных-хозяев они не могут размножаться, лишь пережидать в виде спор, которые заразят новый организм.

На протяжении последних 150 лет микроспоридий продолжают подробно изучать. Их обнаруживают в самых разных биотопах и организмах. На данный момент описано около 1 300 различных видов, принадлежащих к 200 родам, однако биоразнообразие этих микроорганизмов значительно выше известного в настоящее время.

Микроспоридии паразитируют в представителях всех классов и отрядов животных, как у позвоночных, так и беспозвоночных. Они встречаются в одноклеточных эукариотах (инфузориях), также есть виды, паразитирующие и у высших теплокровных (млекопитающих). Наиболее многочисленны микроспоридии у насекомых, ракообразных и рыб. В отдельных эволюционных ветвях развития они могут резко менять хозяев, переходя между разными отрядами членистоногих (из бабочек в пчел, из жуков в саранчу). Другие микроспоридии способны паразитировать лишь в хозяевах узкого круга. Для некоторых из этих грибоподобных микробов вовсе нет барьеров — в чью клетку они попадут, в той клетке и будут развиваться (по крайней мере, пока речь идет о многоклеточных животных).

«Развитие микроспоридий существенно ограничивает высокоразвитая иммунная система, следовательно, особую опасность они представляют при различных иммунодефицитных состояниях, — объяснил заместитель директора по научной работе ВИЗР доктор биологических наук Юрий Сергеевич Токарев. — Поэтому особого внимания в отношении микроспоридий требуют вопросы медицинской и биологический безопасности. Известны случаи, когда для борьбы с вредными членистоногими предлагалось использовать массовый выпуск микроспоридий, которые в дальнейшем оказались патогенами человека! Чаще всего паразиты вызывают хронические заболевания и сами по себе могут быть не опасны для жизни хозяина, поэтому эффект инсектицидов на их основе в таком случае будет весьма медленным. С другой стороны, передаваясь из поколения в поколение, они понижают устойчивость организма хозяев к различным вредным воздействиям окружающей среды, прежде всего негативно влияя на питание и размножение. Это делает их важным фактором, влияющим на численность вредителей».

Микрофотографии спор под микроскопом Микрофотографии спор под микроскопом

Отталкиваясь от этого, энтомологи из ВИЗР тестируют различные виды и изоляты микроспоридий, которые отличаются по вирулентности (способность вызывать заболевания и убивать хозяев), чтобы найти наиболее перспективные формы. Известно, что микроспоридия Nosema pyrausta вносит существенный вклад в смертность европейского кукурузного мотылька (Ostrinia nubilalis), широко распространенного на юге России. Изучение зараженности данного вредителя микроспоридиями в Краснодарском крае и биологических свойств его паразита проводилось на протяжении 15 лет. Используя результаты этой работы в своем последнем исследовании, биологи протестировали вирулентность серии изолятов Nosema pyrausta по отношению к луговому мотыльку, который, как и кукурузный мотылек, относится к семейству травяных огневок, и создали штамм, защищенный российским патентом. Эти же работы способствовали разработке технологии массового производства микроспоридий, которые в будущем послужат продуцентами микробиологических препаратов для борьбы с чешуекрылыми насекомыми-вредителями.

«Насекомые, как и другие высокоразвитые животные, имеют сложно устроенную систему иммунитета, ведь если бы они не развивали защиту к патогенам, они бы не выжили. Во многом благодаря тому, что микроспоридии активно подавляют иммунитет, заражение насекомых проходит успешно, — отметил Юрий Токарев. — Биологические свойства энтомопатогенов и иммунитет насекомых к инфекционным агентам изучают в лабораториях патологии насекомых, экологической паразитологии и экологической физиологии Института систематики и экологии животных СО РАН, сотрудники которых помогают нам собирать новый материал в природе, проводить биотесты на образцах локальных популяций вредителей и создавать лабораторные модели паразито-хозяинных систем для дальнейших исследований, имеющих в том числе практическое применение. Зная, какие системные факторы и механизмы отвечают у насекомых за иммунитет, мы можем способствовать его подавлению, что будет повышать эффективность инсектицидных препаратов на основе конкретных микроорганизмов, а также способствовать синергизму, если мы применяем сочетание различных патогенов».

Исследователи выяснили, что у лугового мотылька есть как минимум семь различных видов микроспоридий, встречающихся на разных территориях. По различным причинам не все подходят для применения в производстве и дальнейшего использования в качестве биологических агентов борьбы с этим вредителем. Одни из них оказываются недостаточно вирулентными, другие известны как паразиты полезных насекомых, третьи представляют потенциальную опасность для здоровья человека. «Сейчас мы проверяем возможности использования новых изолятов микроспоридий на практике. Для этого необходимо выяснить, насколько широк круг возможных хозяев и переносчиков той или иной микроспоридии. Дело в том, что кукурузный мотылек — скрытно живущее насекомое: его гусеница обитает в стеблях кукурузы, поэтому микроспоридии развиваются только в нем или в тех паразитоидах, которые взаимодействуют с ним. А луговой мотылек — это открыто живущее насекомое, и если проводить обработки по нему, то вполне возможно, что при насыщении окружающей среды этими микроспоридиями они начнут заражать других насекомых. Это мы сейчас и проверяем в нашей лаборатории», — прокомментировала Юлия Малыш.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда по проекту № 20-66-46009 «Взаимоотношения микроспоридий с другими эндоцитобионтами и энтомофагами чешуекрылых насекомых на организменном и популяционном уровне».

Глеб Сегеда 

Фото предоставлены исследователями