Введение
Вид мотылька
Капустная совка (Trichoplusia ni) — это мотылёк среднего размера из семейства Noctuidae, семейства, обычно называемого совками. Своё название она получила благодаря предпочтительным растениям-хозяевам и характерному ползающему поведению. Основными растениями-хозяевами являются крестоцветные овощи, такие как капуста, бок-чой и брокколи, что и отражено в её названии. Личинку называют совкой-петлёй, потому что при передвижении она изгибает тело в дугу. Взрослая капустная совка — перелётный мотылёк, которого можно встретить по всей Северной Америке и Евразии, от Флориды на юге до Британской Колумбии на севере. Её перелётное поведение и широкий спектр растений-хозяев способствуют её широкому распространению. Личинка капустной совки является незначительным вредителем овощных культур, особенно крестоцветных. Хотя она не наносит значительного ущерба, её становится всё сложнее контролировать из-за широкого распространения и устойчивости ко многим инсектицидам. В настоящее время исследуются многочисленные методы борьбы с этим видом.
Таксономия
Ларва капустного совки – это разновидность капустного червя, общее название для вредителя из отряда чешуекрылых, который питается преимущественно крестоцветными растениями. Они очень похожи друг на друга – все гладкие и зеленые, но не являются близкими родственниками с точки зрения филогенетики. Фактически, ни один из капустных червей не имеет тесных филогенетических связей, поскольку все они принадлежат к разным семействам. Этот вредитель родственно связан с другими садовыми и огородными вредителями, такими как медведка и озимые совки.
Перемена половых ролей
Обычная стратегия поиска партнера заключается в том, что самцы ищут и конкурируют за самок, а самки заботятся о потомстве. Однако у многих животных наблюдается обратная ситуация: самки конкурируют за самцов, а самцы заботятся о молодняке. Такая смена ролей может происходить по разным причинам: условия окружающей среды, сроки оплодотворения и смещенное соотношение полов. Например, самцы рыб часто проявляют больше родительской заботы, поскольку после того, как самки откладывают икру, самцам необходимо убедиться, что их сперма оплодотворит икру и не будет смыта водой. Самке может быть выгоднее откладывать больше икры, чем заботиться о ней, поэтому она уходит, когда самец оплодотворяет икру, оставляя его заботиться о ней. Капустная петрушка обычно использует типичные стратегии спаривания, при которых самцы конкурируют за самок. Однако иногда происходит обратное, когда самки ищут самцов. Это происходит только при определенных условиях отбора, таких как нехватка самцов или растений-хозяев, которые приводят к смещению соотношения полов в сторону самок.
Яйцо
Яйца капустной петлицы обычно желтовато-белые, куполообразной формы и покрыты ребрами. Их диаметр составляет 0,6 мм, высота – 0,4 мм, и они обычно откладываются по одному на нижней стороне листьев. За сутки 40–50 самок могут отложить 1000–2000 жизнеспособных яиц. Жизнеспособные яйца вылупляются примерно через три дня, в то время как нежизнеспособные яйца не развиваются и сжимаются в течение этого же периода. Яйца чаще всего встречаются на более крупных и верхних листьях растения. Причины, по которым яйца предпочитают откладывать именно на эти листья, остаются неясными.
Ларва
Ларва капустной петли – это вид капустного червя, зеленого цвета с белой полосой по боку. После вылупления они зеленые и слегка опушенные, но со временем становятся гладкими, сохраняя лишь несколько щетинок. Их идентифицируют по характерному движению – они изгибают тело дугой при ползании, образуя петлю. Длина личинки обычно составляет 3–4 см, и за 9–14 дней она проходит от четырех до семи линек. Размножение происходит через 3–4 дня после метаморфоза, в течение которого самка откладывает 300–1400 яиц. Популяции капустной петли в Северной Америке мигрируют из Мексики в Канаду в зависимости от сезона. Обычно они зимуют в Мексике или южной Калифорнии, где даже зимой температура остается достаточно высокой. Раньше этот вредитель часто встречался во Флориде, но его численность снизилась из-за сокращения посевных площадей капусты. Летом он встречается реже в южных регионах из-за высоких температур. Подобно бабочке монарху, популяции, вероятно, мигрируют группами, поскольку генетические различия между исходными и мигрирующими популяциями незначительны. Аналогичное сезонное распределение наблюдается и в Европе, где капустная петля встречается от Англии до юго-восточной Европы. Температура не оказывает влияния на рецепторные нейроны, чувствительные к феромонам.
Растения-хозяева
Капустная совка – всеядное насекомое, способное обитать и питаться более чем на 160 видах растений-хозяев. Разнообразие растений-хозяев капустной совки частично обусловлено способностью её слюнных желез дифференциально экспрессировать гены в зависимости от вида растения. Например, капуста и томаты используют различные защитные соединения, и капустная совка может противостоять каждому из них, активируя соответствующие гены. Высокая восприимчивость слюнных желез к диете обеспечивает значительную гибкость в выборе растений-хозяев. Предпочтительными растениями-хозяевами капустной совки являются крестоцветные, такие как капуста и брокколи, поскольку на них она растёт быстрее, возможно, из-за различий в питательной ценности или химическом составе. Табак также может служить растением-хозяином для капустной совки. Однако он менее предпочтителен, так как камедь, липкое вещество, выделяемое некоторыми растениями, и трихомы, волосковидные выросты, вредят выживаемости молодых личинок. Более взрослые личинки более устойчивы к этим защитным механизмам. Количество гусениц на растении может зависеть от стадии его развития. Раннеспелые сорта капусты менее привлекательны, в то время как капуста, начинающая формировать кочан, наиболее привлекательна. Среди крестоцветных обычно нет предпочтения к конкретному виду, например, капусте кале по сравнению с белокочанной капустой или брокколи по сравнению с брюссельской капустой. Единственное заметное предпочтение – красная капуста: на ней наблюдалось почти вдвое больше гусениц, чем на зелёной. Это говорит о том, что количество гусениц на растении-хозяине зависит скорее от его высоты и обильности листвы, чем от вида растения-хозяина.
Биосинтез
Как и в других реакциях биосинтеза феромонов, производство феромонов самкой капустной совки начинается с синтеза 16- и 18-углеродных жирных кислот. Далее следует десатурация в положении C1 и укорочение цепи на два или четыре углерода. В заключение, жирная кислота восстанавливается и ацетилируется с образованием ацетатного эфира. В результате формируется смесь различных феромонов самки в стабильном соотношении. Это соотношение может значительно изменяться мутациями в белках, ответственных за укорочение цепи, что демонстрирует важность этапа укорочения цепи для определения соотношения феромонов в конечной смеси. Капустная совка как вид не регулирует производство феромонов гормонально. Стадия-специфические белки соответствуют развитию феромонной железы. Незрелая железа лишена множества ферментов, необходимых для биосинтеза феромонов, таких как синтетаза жирных кислот и ацетилтрансфераза, поэтому совка не может производить феромоны до достижения взрослой стадии. После полного развития феромонных желез во взрослой стадии феромоны производятся непрерывно.
Обнаружение
У капустных циклов есть обонятельные рецепторные нейроны на антеннах для обнаружения феромонов. Эти нейроны расположены на двух сенсорных структурах, называемых сенсиллами, различающимися по длине и плотности пор. У самцов-луперов два типа нейронов, и в зависимости от типа присутствующих сенсилл, нейроны обнаруживают феромоны самок с разной чувствительностью к каждому из шести феромонов. Нейроны наиболее чувствительны к основному компоненту смеси феромонов самок – цис-7-додеценил ацетату, а также к мужскому ингибирующему сигналу – цис-7-додеценолу. Присутствие цис-7-додеценил ацетата критически важно для реакции самцов на феромоны самок, поскольку он составляет 80% всей смеси. В основании антенны, где расположены рецепторные нейроны для этого феромона, содержится больше сенсорных структур, чем на кончике. Основание антенны также менее подвержено повреждениям, что подчеркивает важность обнаружения феромона. Неясно, почему нейроны самцов обнаруживают ингибирующее соединение, поскольку нет доказательств его выработки самками. Возможно, его концентрация в смеси феромонов самок слишком мала для обнаружения современным оборудованием. Ингибирующий сигнал вызывает реакцию только при одновременной подаче с феромонами самок, чтобы избежать путаницы с сигналами других видов, что указывает на его важную роль в обнаружении самок, несмотря на невозможность его обнаружения в смеси феромонов самок. Эти нейроны также способны распознавать и реагировать на цис-7-тетрадеценил ацетат и цис-9-тетрадеценил ацетат. Для остальных трех феромонов специализированных нейронов нет.
Хищники
Обычные хищники, такие как пауки, муравьи и божьи коровки, поедают яйца и личинки капустной совки, уничтожая 50% яиц и 25% личинок в течение трех дней. Божьи коровки потребляют их в наибольших количествах. К другим распространенным хищникам личинок капустной совки относятся Orius tristicolor, Nabis americoferus и Geocoris pallens.
Паразиты
Хотя капустная циклятка часто подвергается нападению паразитов, наиболее распространенным из них является тахинидная муха. В одном исследовании 90% паразитированных личинок были поражены именно тахинидной мухой. Паразитирование происходит чаще всего в конце осени и зимой, но муха способна паразитировать на протяжении всего года. Наибольшее количество паразитов обнаруживается у личинок третьего или четвертого возраста. Это достаточно ранняя стадия развития, чтобы личинки успели питаться и расти до окукливания, которое может помешать выходу паразитов. Но и достаточно поздняя, чтобы гусеницы были достаточно крупными для поддержания развития личинок мухи. Откладывание яиц мухой часто провоцируется судорогами личинки, пытающейся отпугнуть муху, независимо от того, уже ли она заражена паразитами. В результате личинки часто подвергаются сверхпаразитизму, что приводит к гибели более мелких личинок. Во время откладывания яиц самка приклеивает яйцо мухи к телу хозяина. Это облегчает проникновение личинки в тело гусеницы, где она остается до третьего дня. Затем личинка прорезает щель в спинной части гусеницы и выбирается наружу.
Болезни
Мотылёк восприимчив к вирусным заболеваниям, включая нуклеополиэдровирус (НПВ). Это природный вирус, естественными хозяевами которого являются чешуекрылые, членистоногие и перепончатокрылые. Он относится к семейству Baculoviridae, является типом Alphabaculovirus, а его геном имеет длину 80–180 кб. НПВ широко используются в качестве пестицидов для капустной совки. Существует множество НПВ, многие из которых были выделены из капустной или люцерновой совок. НПВ различаются по инфекционности и вирулентности. Например, изоляты AcMNPV более инфекционны, чем изоляты TnSNPV (SNPV/вирус одноядерного полигедроза, специфичный для капустной совки) на первой личиночной стадии, в то время как изоляты TnSNPV производят больше окклюзионных телец – белковых структур, которые защищают вирус и повышают долгосрочную инфекционность. TnSNPV наиболее летален на третьей и четвертой личиночных стадиях; они оказывают негативное воздействие, такое как задержка развития, снижение производства яиц и уменьшение количества вылупившихся яиц. Эти эффекты значительно ослабевают при заражении личинок на пятой стадии, что указывает на большую эффективность более раннего заражения. Bacillus thuringiensis (Bt) – грамположительная почвенная бактерия из типа Bacillota. Она часто используется в качестве биологического инсектицида против многих вредителей насекомых, включая капустную совку, и снижает как скорость роста, так и вес куколки. Капустная совка продемонстрировала устойчивость к Bt, в частности к токсину Cry1Ac, из-за аутосомно-рецессивного аллеля. Хотя не совсем ясно, какой ген вызывает фенотип устойчивости, имеются веские доказательства, подтверждающие связь между мутацией в мембранном транспортере ABCC2 и устойчивостью к Bt. Другие исследования с популяциями капустной совки, эволюционировавшими в теплицах и приобретшими устойчивость к Bt, показывают, что подавление экспрессии аминопептидазы N (APN1) приводит к ее устойчивости.
Геном
Геном капустной петли составляет 368,2 Мб (скафолд N50 = 14,2 Мб; контиг N50 = 621,9 кб; содержание GC = 35,6%) и содержит 14 037 генов, кодирующих белки, и 270 генов микроРНК (миРНК). Геном и аннотации доступны в базе данных Cabbage Looper. Геном капустной петли больше, чем геном Drosophila melanogaster (180 Мб), но меньше, чем геном Bombyx mori (530 Мб). Он кодирует как минимум 108 ферментов цитохрома P450, 34 глутатион-S-трансферазы, 87 карбоксилэстераз и 54 АТФ-связывающих кассетных транспортера, некоторые из которых могут быть вовлечены в устойчивость к инсектицидам. Транспозон PiggyBac, широко используемый инструмент для генетической инженерии, был впервые обнаружен у капустной петли и впоследствии идентифицирован и у других таксонов.
Ущерб посевам
Как и бриллиантовый мотылёк, капустная совка – один из самых вредоносных вредителей капусты. Личинки выгрызают крупные отверстия в нижней стороне листьев и поедают развивающиеся кочаны. Кроме того, они оставляют липкие экскременты, загрязняя растения. Они также питаются листьями множества растений-хозяев, помимо капусты. Несмотря на то, что это вредитель, капустную совку можно допускать. Например, рассада может переносить повреждения от капустной совки. Однако, капустная совка становится более серьёзной проблемой, когда растение начинает формировать кочан.
Секс-феромоны
В области феромонов капустной совки проводятся обширные исследования с целью разработки ловушек для отлова бабочек-мотыльков. Первоначальные исследования были направлены на выделение женского феромона для идентификации его компонентов и возможного синтетического воспроизведения натурального женского феромона. Ученым удалось создать синтетическую версию, которая биологически эквивалентна натуральной форме. Синтетический женский феромон используется в сочетании с ловушками, оснащенными ультрафиолетовыми лампами, для изучения популяций капустной совки в различных регионах США.
Инсектициды
Ученые активно ищут способы борьбы с капустной совкой. Этот процесс, известный как эволюционная гонка вооружений, заключается в постоянных исследованиях методов контроля капустной совки, в то время как совка вырабатывает устойчивость к применяемым мерам борьбы. Синтетические инсектициды относительно эффективны, однако многие из них запрещены из-за своей токсичности. Исключение составляет инсектицид "Амбуш". Исследования показали, что этот пиретроидный инсектицид эффективен против яиц капустной совки, и его применение разрешено в США. Другие исследования изучали использование биологических инсектицидов; например, вирус полиэдроза оказался эффективным. К сожалению, обеспечить производство и применение больших объемов этого вируса было бы сложно, поэтому это не представляется целесообразным. Эффективным подходом является совместное использование синтетических и биологических инсектицидов; этот метод, по-видимому, позволяет контролировать популяцию и замедлять развитие устойчивости, но все же требует применения токсичных химикатов. В настоящее время опрыскивание препаратом Bacillus thuringiensis считается наиболее эффективным методом, возможно, в сочетании с NPV для повышения эффективности, однако капустная совка все чаще проявляет устойчивость к B. thuringiensis. Однако недавние исследования показали, что капустная совка, устойчивая к B. thuringiensis, в два раза более восприимчива к NPV, что открывает перспективы для разработки новых методов биологического контроля.
Использование в исследованиях
Экспрессия в клетках насекомых с использованием бакуловируса – это метод, применяемый для производства больших количеств целевого белка. Он основан на способности бакуловируса встраивать гены в клетки-мишени и индуцировать экспрессию белка, кодируемого этим геном. Для создания клеточных линий использовались клетки различных насекомых, таких как плодовые мухи, комары и шелкопряды. Ткань капустной совки также применялась для разработки клеточной линии, которая особенно ценна благодаря быстрому росту и меньшей зависимости от гемолимфы насекомых в питательной среде. Клеточная линия капустной совки также была модифицирована для культивирования в среде, не содержащей сыворотки. Хотя сыворотка способствует росту клеток насекомых, она очень дорога и может затруднять последующие экспериментальные процедуры. Следовательно, разработка клеточной линии, способной расти без сыворотки, позволяет использовать ее для производства вирусов и белков более экономичным, эффективным и производительным способом.