Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Генетический метод защиты растений от вредителей
|
|
История развития и способы применения генетического метода.
В начале XX в. было обнаружено, что высокие дозы рентгеновского облучения убивают насекомых, а низкие уменьшают их репродуктивную способность. В 1926 г. американский ученый Меллер доказал, что под действием рентгеновских лучей при определенных дозах облучения можно добиться прекращения упорядоченного деления хромосом в яйцеклетках и сперматозоидах Drosophila melanogaster, в то время как остальные процессы жизнедеятельности остаются ненарушенными. Подобные изменения были названы доминантными летальными мутациями.
Возможность снижения репродуктивного потенциала популяций вредных насекомых впервые была обоснована в 1940 г. советским генетиком А.С. Серебровским. Он указал на возможность введения особей, содержащих перестройки хромосом в естественные популяции с целью снижения численности вредителей. Эти же идеи, в то же время, были выдвинуты Книплингом в США.
По определению ВОЗ (1962 г) генетический метод – это использование таких способов обработки насекомых, которые могут подавлять потенциал размножения вредителей путем изменения или замещения генетического материала. Он основан на введении в популяцию вредного организма нежизнеспособных или стерильных особей того же вида, несущих различные летальные мутации. Генетический метод еще называют автоцидным (человек заставляет насекомых уничтожать свой собственный вид). Преимущества метода: достаточно эффективен, безвреден для теплокровных, обладает селективным действием в отношении популяции конкретных видов, которые не способны приобретать к нему устойчивости.
Недостатки метода: значительные затраты на искусственное разведение огромной массы насекомых, подвергаемых стерилизации; для многих видов еще не отработаны методы массового производства в лабораторных условиях; подавление в природных условиях популяции одного вида не защищает культуру от других видов.
К различным способам применения генетического метода относятся: лучевая (рентгеновское, гамма-излучение) и химическая (хемостерилянтов) стерилизация, использование цитоплазматической несовместимости (скрещивание особей популяции одного вида, но из разных географических зон, дающих стерильное потомство), получение бездиапаузных популяций и др. К настоящему времени успешно реализованы свыше 20 программ по подавлению популяций вредных видов насекомых.
Лучевая стерилизация – искусственная стерилизация насекомых с помощью ионизирующего облучения рентгеновскими или гамма-лучами (источниками излучений являются радиоактивные изотопы кобальта – Со60, цезия – Cs137). Выпуск в природу стерилизованных самцов производят из расчета, чтобы их численность во много раз превышала численность самцов естественной популяции, в результате численность популяции нового поколения снижается.
Важным для практического использования является число стерильных особей, которое должно быть выпущено в полевых условиях для подавления естественной популяции. При оценке эффективности метода генетической защиты учитывается стерильность, возникающая после обработки, а также стерильность, появляющаяся у потомков. Так, при облучении самцов совки дозой, вызывающей 50% стерильность, уже в первом поколении зарегистрирован 90% уровень половой стерильности.
Есть опыт облучения собранных в природе насекомых. В долине Альп (Швейцария) стряхивали особей майского хруща с деревьев, облучали и выпускали в район их обитания. Местная популяция жуков исчезала после нескольких выпусков.
Химическая стерилизация – нарушение способности к размножению (необратимые изменения в хромосомах и цитоплазме половых клеток) с помощью хемостерилянтов. Существует два направления их применения: выпуск в природную популяцию предварительно выловленных или специально размноженных насекомых, подвергнутых обработке хемостерилянтами и обработка насекомых природной популяции в местах их скопления.
Выбор способа обработки зависит от препарата и стадии развития насекомых. Например, куколок обрабатывают, погружая их на определенное время в раствор хемостерилянта, личинок выкармливают на синтетических средах с добавлением стерилизующих соединений, поступление в организм имаго – при непосредственном контакте с препаратом, нанесенным на стенки садка, через конечности и покровы тела.
В качестве хемостерилянтов используют:
- производные этиленимина (тэф, тиотэф, афолат, бусульфан и др.);
- антиметаболиты (пурины, пиримидины);
- триазины, фосфамиды.
Широкое применение на практике получили тиотеф и бусульфан. Например, для подавления популяции американской белой бабочки, самцов обрабатывали 1% водным раствором тиотефа, против хлопкового коробочного долгоносика с успехом использовали бусульфан. С 1963 г. в ВИЗР разработали способы химической стерилизации яблонной плодожорки, совок, вредной черепашки. Однако использование хемостерилянтов ограничено из-за опасности их для окружающей среды (некоторые обладают токсичностью и канцерогенностью для теплокровных). Но в последнее время российскими и зарубежными учеными обнаружены экологически безопасные вещества в качестве хемостерилянтов – это использование ингибиторов синтеза хитина.
Для успешного применения стерильных насекомых необходимо выполнение следующих требований:
• разведение и стерилизация большого количества насекомых;
• достаточная конкурентоспособность выпускаемых насекомых;
• оптимальные системы выпуска;
• проведение точной оценки численности популяций вредителя до и после выпуска;
• достаточно большая или хорошо изолированная площадь обработки, чтобы исключить иммиграцию здоровых самок.
Для стерилизации природных популяций имеется успешный опыт применения ловушек разного типа (цветовых, феромонных) с хемостерилянтами. Если конкурентоспособность выпускаемых самцов ниже, чем у природных особей, необходимо увеличение их численности для достижения желаемого эффекта. Выпуск в природу стерильных насекомых осуществляют равномерно на больших площадях (с использованием авиации). Время выпуска должно быть приурочено к появлению имаго природной популяции для максимального числа спариваний.
Наследуемая стерильность. Вместо полной стерилизации используют явление наследуемой стерильности – т. е. особи F1 оказываются более стерильными, чем обработанные самцы родительского поколения. Происходит передача аберрантных (измененных) хромосом природной популяции в форме транслокаций. Выпуск частично стерилизованных самцов более эффективен (у них выше конкурентопособность), чем полностью стерилизованных.
Использование рецессивных летальных мутаций. Альтернативный вариант полной стерилизации особей – выпуск в природные популяции самцов, содержащих рецессивные летальные мутации (наследование рецессивных летальных мутаций по мужской линии). После скрещивания выпущенных самцов с природными самками, большинство дочерей в потомстве и самок в последующих поколениях гибнет. Недостаток метода: для искоренения популяции вредителя из-за низкой конкурентоспособности нужно поддерживать высокое соотношение стерильных насекомых к нормальным (от 10: 1 до 1000: 1) и обеспечивать равномерное смешивание особей.
Поэтому разработаны линии насекомых с условно-летальными мутациями – это выпуск мутантных насекомых в численности, равной природной популяции или несколько превышающей ее. Проявляется летальный эффект мутантных генов после их широкого распространения в популяции. Пригодны гены температурной зависимости; гены, вызывающие отсутствие диапаузы или изменения поведения (переход от моновольтинного развития к поливольтинному), которые становятся летальными в природных условиях.
В генетическом методе используется явление цитоплазматической несовместимости с наследованием по женской линии – возникает при гибридизации особей одного вида, не встречающихся вместе в природных условиях.
Разделение полов для совершенствования генетического метода. Важно отделить самцов от самок перед выпуском в природу, так как некоторые способы требуют выпуска только самцов: использование сцепленных с мужским полом транслокаций. У некоторых видов насекомых наблюдается более высокая устойчивость женских генеративных органов по сравнению с мужскими, поэтому отделение самок обеспечивает снижение доз стерилянтов и повышает конкурентоспособность самцов.
Примеры успешного применения генетического метода:
1) впервые опыт применения генетического метода осуществлен в 1952 г. на острове Санибел, побережья Флориды (США), а в 1955 г. в увеличенных масштабах на острове Кюрасао, где осуществлена программа по подавлению численности мясной мухи (Cohliomyia hominivorax), вредящей домашним животным. Облученных стерильных самцов выпускали в природную популяцию насекомых. Самки природных популяций после спаривания откладывали нежизнеспособные яйца, что приводило к вымиранию популяции;
2) борьба со средиземноморской плодовой мухой путем лучевой стерилизации. На Гавайских островах была построена биофабрика, выпускавшая 10 млн. мух в неделю. Особенно масштабным было подавление этого вредителя в США, Италии, Испании в 70-е годы XX в. Например, в 1975 г. около Лос-Анджелеса была искоренена популяция этого вредителя, которая занимала площадь 260 км2, путем выпуска 600 млн. стерильных особей, выращенных на биофабрике. Наибольшего успеха добивались, применением метода на хорошо изолированных территориях.
3) замещение в природной популяции весенней капустной мухи фертильных самцов стерильными, снизило численность вида в 5 раз (сотрудники ВИЗР – Анисимов, Самойлов, 1985). Норма выпуска составила 100 особей/га, что обеспечило соотношение самцов (облученных-стерильных: природных) 20: 1, 25: 1. В этом случае число стерильных яиц, откладываемых самками, достигало 95%. Также зарегистрированы факты переноса стерилизующего эффекта от особи к особи внутри самой популяции при спаривании;
4) против яблонной плодожорки генетический метод успешно применяли на территории бывшего СССР и в западных странах: стерилизация природных популяций, основанная на совместном применении половых феромонов и химических стерилянтов – помещали в ловушки капсулы с феромоном, а их внутреннюю поверхность обрабатывали тиотэфом, в концентрации 3...4 %; при размещении 20...25 ловушек/га поврежденность урожая яблок снижалась на 78...85 %, а вредоносность непарного шелкопряда в дубовых насаждениях – на 76 %.
5) в России и за рубежом показана эффективность генетического метода в подавлении численности фасолевой зерновки в полевых условиях и зернохранилищах при облучении гамма-радиацией:
6) в США многолетние исследования показали эффективность генетического метода борьбы с использованием наследуемой стерильности в подавлении таких фитофагов, как хлопковый долгоносик, хлопковый коробочный червь, кукурузный мотылек, капустная моль.
Наилучшие результаты генетический метод дает при сочетании его с другими методами защиты растений (химические обработки пестицидами, привлечение энтомопаразитов и др.). Дальнейшее развитие метода связано с методами генной инженерии и определяется тесным взаимодействием исследователей в области молекулярной генетики, экологии насекомых и специалистов по защите растений.
Контрольные вопросы
1. Ученый, впервые обосновавший возможность снижения репродуктивного потенциала популяций вредных насекомых с использованием генетического метода?
2. Что понимают под генетическим методом защиты?
3. Какими преимуществами и недостатками обладает генетический метод?
4. Укажите основные способы применения генетического метода?
5. Понятие о хемостерилянтах? В качестве хемостерилянтов используют соединения?
6. Какие существуют направления применения хемостерилянтов?
7. Понятие внутривидовой цитоплазматической несовместимости?
8. Что используют для стерилизации природных популяций вредных насекомых?
9. Какие требования необходимо соблюдать для успешного применения стерильных насекомых?
10. Приведите примеры успешного применения генетического метода.