05.07.2013

Кишечные бактерии ускорили эволюцию жука-вредителя

Ежегодное чередование на одном поле двух сельхозкультур - кукурузы и сои - некоторое время помогало бороться с кукурузным корневым жуком. Теперь ситуация изменилась.

Западный кукурузный корневой жук (Diabrotica virgifera virgifera) - насекомое семейства листоедов (Chrysomelidae) - относится к самым распространенным в США вредителям кукурузы и причиняет сельскому хозяйству страны огромный ущерб: убытки от потери урожая и расходы на защитные мероприятия ежегодно выливаются в сумму, превышающую миллиард долларов.

Впрочем, около 20 лет назад этот вредитель смог проникнуть и в Европу. Сегодня очаги заражения уже зарегистрированы в Сербии и Болгарии, Румынии и Польше, Чехии и Словакии, Италии и Австрии, Швейцарии и Германии, Словении и Украине, Нидерландах и Франции, Бельгии и Великобритании. "Взрослые самки откладывают яйца в почву, а вылупившиеся из них личинки питаются корнями кукурузы, - поясняет Манфредо Сьюфферхелд (Manfredo Seufferheld), профессор Иллинойского университета в городе Эрбана. - Эти личинки очень мелкие, зато их много, на одно растение нередко приходятся сотни, поэтому потери урожая оказываются весьма ощутимыми".

Севооборот как панацея от диабротики

Химические методы борьбы с листоедом особого успеха не принесли, однако в середине 80-х годов фермеры нашли, как тогда казалось, весьма эффективный агротехнический способ подавления вредителя: неукоснительное соблюдение севооборота. Поскольку западный кукурузный корневой жук дает лишь одну генерацию в год, а его личинки питались исключительно корнями кукурузы, фермеры стали возделывать на своих полях две культуры, чередуя их ежегодно, - кукурузу и сою. В результате в тот год, когда кукурузу сменяла соя, почти все личинки листоеда погибали от голода и в почве оставалось очень мало особей, способных на следующий год опять нанести урон посевам кукурузы.

Однако сегодня этот способ уже не работает, сетует профессор Сьюфферхелд: "Дело в том, что диабротика приспособилась, адаптировалась к новым условиям. Она стала невосприимчивой к севообороту, поскольку личинки обрели способность питаться и соей. Соответственно, чередование культур уже не дает эффекта, не препятствует воспроизводству и распространению вредителя. Нас это изрядно удивило".

Сверхскоростная эволюционная адаптация

Ученые столкнулись с загадкой: как кукурузному жуку удалось за считанные годы, то есть на протяжении всего нескольких поколений, приспособиться к севообороту и включить в свой рацион питания прежде несъедобную для него сою? Ведь согласно общепринятым представлениям об эволюции, такой процесс должен был протекать значительно медленнее и занять гораздо больше времени. Первые же исследования позволили нащупать решение загадки.

Дело в том, что соя защищается от вредителей, синтезируя белки, подавляющие пищеварение насекомых. Однако в пищеварительном тракте кукурузных корневых жуков, резистентных к севообороту, содержание пищеварительных ферментов было, как оказалось, столь высоким, что они нейтрализовали ингибиторные белки сои. Именно это и сделало сою вполне съедобным для таких жуков растением.

Логично было предположить, что у насекомых, способных переваривать сою, гены, кодирующие эти самые пищеварительные ферменты, должны обладать повышенной активностью. Однако исследования показали, что это не так.

Кишечные бактерии синтезируют пищеварительные ферменты

В результате ученые взялись за поиски иного, дополнительного источника этих пищеварительных ферментов и вскоре наткнулись на многообещающий след. Их внимание привлекла кишечная микрофлора насекомого. "Очевидно, именно бактерии в кишечнике жука обуславливают то значительное различие, которое наблюдается при сравнении пищеварительной активности особей, резистентных к севообороту, и нерезистентных к нему, то есть способных и не способных поедать сою, - поясняет профессор Сьюфферхелд. - Ведь бактерии мутируют гораздо быстрее, в их геноме за очень короткое время могут возникать сотни и сотни новых изменений. Это чрезвычайно динамичный процесс".

Действительно, анализ показал, что видовой состав кишечной микрофлоры у жуков, способных переваривать сою, существенно отличается от такового у особей, сою не поедающих. Ученые убедились также в том, что именно это отличие и наделяет таких жуков резистентностью к севообороту: стоило только подавить их кишечную микрофлору антибиотиками, как насекомые эту свою резистентность тотчас утрачивали.

Обязательный учет всех факторов в их взаимосвязи

По мнению профессора Сьюфферхелда, это дает ученым основание взглянуть на процессы эволюции более широко: "Мы должны подходить к этим процессам комплексно. Все в жизни взаимосвязано. Бактерии колонизировали всю природу, они вездесущи. Но не следует забывать, что все колонии на Земле - и люди, и насекомые, и растения, и бактерии - развивались и эволюционировали совместно. И продолжают это делать - опять же совместно".

Кто хочет постичь экологию насекомых-вредителей, должен это учитывать. И не забывать, что характер землепользования тоже оказывает мощное селекционное давление. То, что в штате Иллинойс уже 85 процентов всех посевных площадей заняты лишь двумя культурами - кукурузой и соей, - немало поспособствовало изменениям микрофлоры диабротики и, в конечном счете, ее распространению.

Борьба с вредителем потребует теперь новых подходов, подчеркивает профессор Сьюфферхелд: "Мы ведь не станем распылять антибиотики на полях! Значит, окончательно уничтожить западного кукурузного корневого жука нам вряд ли удастся. Ограничить его распространение, конечно, возможно, но для этого мы должны действовать с учетом всех факторов в их взаимосвязи".

Источники:

1. korrespondent.net