КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-76-00032
НазваниеФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СТРУКТУРУ МИКРОБИОМА КОЛОРАДСКОГО ЖУКА И ВЛИЯЮЩИЕ НА ЕГО ВОСПРИИМЧИВОСТЬ К БАКТЕРИЯМ BACILLUS THURINGIENSIS
РуководительПоленогова Ольга Викторовна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2019 - 06.2021 |
Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-104 - Агробиотехнологии
Ключевые словазащита растений, биологический метод, биоинсектициды, вирулентность, Bacillus thuringiensis, колорадский жук, микробиом, метаболиты растений, филлосфера
Код ГРНТИ68.37.00; 68.03.07
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В различных живых организмах, в том числе в насекомых, существенная роль в их жизнедеятельности принадлежит микрофлоре, играющей важнейшее значение в физиологии, их иммунитете, поведении, и как результат в эволюционном развитии вида. Изменение соотношения видов в микробиоте может приводить к изменению чувствительности насекомых к патогенам, что в свою очередь будет определять характер и развитие инфекционного процесса. Данный проект направлен на выявление основных внешних факторов, определяющих структуру и видовой состав микробиома колорадского жука и изучение влияния доминирующих видов микробиома колорадского жука на восприимчивость к кристаллообразующим бактериям Bacillus thuringiensis. Впервые будут получены данные о влиянии вторичных метаболитов картофеля на структуру и состав микробного сообщества колорадского жука – одного из существенных вредителей картофеля. Будут выявлены токсиканты способствующие размножению микроорганизмов в кишечном микробном сообществе и вступающие в синергетические взаимоотношения с энтомопатогенными бактериями Bacillus thuringiensis и грибами. Будут получены данные о онтогенетической изменчивости состава и структуры микрофлоры растения, а также их влияния на формирование микробного сообщества колорадского жука. Также будет выявлена степень воздействия растительных инсектицидов и инсектицидов на основе вторичных метаболитов микроорганизмов на изменение структуры микробиома и чувствительность колорадского жука к бактериям Bacillus thuringiensis. Понимание характера взаимоотношений кишечного микробного сообщества колорадского жука и энтомопатогенных бактерий позволит по-новому подойти к подбору компонентов для разработки эффективных препаратов для контроля их численности.
Ожидаемые результаты
В результате проведенных исследований мы сможем ответить на вопрос как изменяется сообщество микроорганизмов филлосферы растений картофеля и кишечника в течение онтогенетического развития колорадского жука. Также будут охарактеризованы микроорганизмы, составляющие ядро микробного сообщества насекомых, изменяющиеся в ходе бактериальной инфекции, что позволит говорить об их функциональном значении и понять какую именно роль они играют в бактериальном патогенезе. Кроме того, ряд проведенных нами экспериментов покажет, как влияют вторичные метаболиты растений, и представители микрофлоры колорадского жука на степень изменения патогенности Bacillus thuringiensis. Полученные в ходе проекта результаты позволят значительно расширить фундаментальные знания о патологии насекомых и инфекционных процессах. Это возможно за счет разработки новых иммуносупрессоров, на основе микроорганизмов, которые способствуют направленному изменению состава кишечного микробного сообщества в результате чего может происходить изменение чувствительности насекомых к энтомопатогенным бактериям Bt, что в свою очередь позволит увеличить биологическую эффективность применяемых в защите растений биопрепаратов. . Полученные результаты будут доложены на «IV Cъезде по защите растений» 9-11 сентября, г. Санкт-Петербург, зарубежном съезде Общества патологии беспозвоночных (SIP Meeting, 2020 г.), а также на других профильных международных конференциях. Полученные результаты будут обнародованы в виде статей в журналах индексируемых Web of Science и Scopus.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Нами было проведено исследование чувствительности личинок колорадского жука к энтомопатогенным кристаллобразующим бактериям B. thuringiensis ssp. morrisoni (var. tenebrionis) и биологическому инсектициду на основе авермектинов. Установлено, что совместная обработка авермектинами и B. thuringiensis приводит к аддитивному эффекту в смертности личинок. Воздействие сублетальными дозами B. thuringiensis, авермектинами или их комбинацией приводила к схожим изменениям в эпителиальных клетках кишечника характерным для кишечного токсикоза и приводит к деструктивным изменениям кишечника. В частности, мы наблюдали в столбчатых клетках истощение и вакуолизацию цитоплазмы, распад тканей в околоядерном пространстве, выраженные в разрушении аппарата Гольджи, с сохранением структуры межклеточных перегородок и микроворсинок на ультратонких срезах среднего кишечника личинок колорадского жука на второй день после обработки комплексом авермектинов. Кроме того, мы наблюдали тренды к повышению энтеробактерий в кишечном сообществе колорадского жука под действием обоих агентов, причем наиболее сильный и существенный подъем происходил при комбинированном действии. Показано, что физиологические причины аддитивного эффекта связаны с деструктивными тканей кишечника и активности пищеварительных ферментов, а также повышением численности энтеробактерий.
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Было проведено исследование влияния энтомопатогенных кристаллобразующих Bacillus thuringiensis и авермектинов (метаболитов Streptomyces avermictilis) на физиологию кишечника и микробиом колорадского жука. Также была проанализирована роль резидентных представителей микробиома кишечника колорадского жука Leptinotarsa decemlineata в чувствительности жука к инсектицидам. При проведении анализа на антагонистические взаимоотношения было выявлено, что B. thuringiensis может ингибировать ряд выделенных симбиотических энтеробактерий in vitro. Однако, не смотря на данный эффект, резиденты кишечного микробного сообщества, способствовали ускоренному развитию сепсиса у личинок колорадского жука, инфицированных B. thuringiensis. Для снижения влияния микробиома на восприимчивость к различным инсектицидам, личинки колорадского жука были обработаны амикацином (антибиотик широкого спектра действия). В частности, наблюдались значительные различия в восприимчивости к Bt между нативными и обработанными амикацином насекомыми (p <0,001), а антагонистический эффект между предварительной обработкой антибиотиком и инфекцией Bt был выявлен со 2-го по 6-й дни после инфицирования (p <0,02). Точно так же воздействие авермектинами привело к значительным различиям в динамике смертности нативных личинок и личинок, предварительно обработанных амикацином (p <0,001), а антагонизм между антибиотиком и авермектинами был зарегистрирован 3, 5 и 6 дня после обработки авермектинами (p <0,05). Мы выяснили, что самым сильным синергистом был симбионт E. ludwigii. Насколько нам известно, это первое исследование влияния Enterobacteriaceae, B. thuringiensis и авермектинов на колорадского жука. Вероятно, что взаимодействие между инсектицидами и симбиотическими бактериями может быть уникальным для каждой «системы» насекомых-инсектицидов и зависеть от дозировок и физиологии кишечника хозяина. Ранее было установлено, что ряд бактерий могут участвовать в детоксикации инсектицидов. Мы считаем, что после повреждения тканей кишечника инсектицидами энтеробактерии могут проявлять патогенные свойства быстрее, чем детоксифицирующие, что приведет к увеличению чувствительности личинок к авермектинам и аддитивному эффекту между B. thuringiensis и авермектинами. Мы продемонстрировали, что энтеробактерии повышают восприимчивость личинок колорадского жука к авермектинам, а аддитивный эффект смертности насекомых при комбинированном воздействии B. thuringiensis и инсектицидами также могут быть связаны с изменениями в обилии бактериальных ассоциатов насекомых. Выявленная комбинация может быть использована для развития комплексные препараты для биологической борьбы с популяцией колорадского жука.
Публикации
1. Крюков В.Ю., Роцкая У., Ярославцева О., Поленогова О., Крюкова Н., Аханаев Ю., Кривопалов А., Аликина Т., Воронцова Я.Л., Слепнева И., Кабилов М.Р., Глупов В.В. Fungus Metarhizium robertsii and neurotoxic insecticide affect gut immunity and microbiota in Colorado potato beetles Scientific reports, 11, 1299 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s41598-020-80565-x
2. Поленогова О.В., Носков Ю.А., Ярославцева О.Н., Крюкова Н.А., Аликина Т., Клементьева Т.Н., Андреева Е., Ходырев В.П., Кабилов М.Р., Крюков В.Ю., Глупов В.В Influence of Bacillus thuringiensis and avermectins on gut physiology and microbiota in Colorado potato beetle: Impact of enterobacteria on susceptibility to insecticides PLoS ONE, 16(3): e0248704 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1371/journal.pone.0248704
3. Поленогова О.В., Носков Ю.А.,Артемченко А.С., Жангисина С., Клементьева Т.Н., Ярославцева О.Н., Ходырев В.П., Крюкова Н.А., Глупов В.В. Citrobacter freundii, a natural associate of the Colorado potato beetle, increases larval susceptibility to Bacillus thuringiensis Pest Management Science, 78(9): 3823-3835 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/ps.6856
4. Поленогова О.В., Крюкова Н.А., Носков Ю.А., Ярославцева О.Н., Клементьева Т.Н., Артемченко А.С., Жангисина С.К., Ходырев В.П., Крюков В.Ю., Глупов В.В. Симбионтные энтеробактерии колорадского жука Leptinotarsa decemlineata (Coleoptera: Chrysomelidae) повышают восприимчивость личинок к Bacillus thuringiensis и авермектинам XVI съезд Русского энтомологического общества. Москва, 22–26 августа 2022 г. Тезисы докладов. М.: Т-во научных изданий КМК, 2022. 164 с., 81 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5281/zenodo.6976546
5. Поленогова О.В., Ярославцева О.Н., Клементьева Т.Н., Аликина Т., Кабилов М.Р., Крюков В.Ю., Глупов В.В. МЕТАГЕНОМИКА БАКТЕРИАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ КОЛОРАДСКОГО ЖУКА: ВЛИЯНИЕ БАКТЕРИЙ НА РАЗВИТИЕ ПАТОГЕНЕЗОВ И ТОКСИКОЗОВ Общество с ограниченной ответственностью "Академиздат", Новосибирск, 73 (год публикации - 2022)
6. Поленогова О.В., Ярославцева О.Н., Кривопалов А.В., Носков Ю.А., Клементьева Т.Н., Ходырев В.П., Крюкова Н.А., Крюков В.Ю., Глупов В.В. ЗНАЧЕНИЕ ЭНТЕРОБАКТЕРИЙ КОЛОРАДСКОГО ЖУКА В УСТОЙЧИВОСТИ К БИОИНСЕКТИЦИДАМ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ БИОИНФОРМАТИКИ, БИОТЕХНОЛОГИИ И НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ, c. 107-108 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.17072/fpabbn-2021
7. Поленогова О.В., Ярославцева О.Н., Носков Ю.А., Крюкова Н.А., Клементьева Т.Н., Андреева Е., Ходырев В.П., Крюков В.Ю., Глупов В.В. Патофизиология кишечника колорадского жука под действием Bacillus thuringiensis subsp. morrissoni и авермектинов: роль энтеробактерий в чувствительности к инсектицидам ИЗДАТЕЛЬСТВО АМБ, Екатеринбург, с.98 (год публикации - 2020)
Возможность практического использования результатов
Среди биологических препаратов, используемых в сельском хозяйстве, существенную долю составляют препараты на основе энтомопатогенных бактерий, грибов или их метаболитов. Одним из перспективных биопрепаратов против насекомых являются инсектициды на основе кристаллообразующих бактерий Bacillus thuringiensis (Bt) более чем с 50-ти летней история применения. Данные бактерии обладают высокоспецифичным действием, что обеспечивает максимальную экологичность и безопасность для окружающей среды, млекопитающих, а также других позвоночных и беспозвоночных животных. Поскольку использование подобных бактериальных препаратов, осложнено ввиду их низкой стабильности и подверженности абиотических и биотических факторов, в ряде случаев подобную проблему решают, увеличив дозу биопрепарата, что в свою очередь приводит к серьезному увеличению стоимости обработок. Кроме того, для достижения более высокой эффективности и стабильности действия данных продуктов необходимо учитывать ряд факторов, связанных со сложностью взаимодействий между патогенами, насекомыми и средой обитания. Симбиотические микроорганизмы оказывают существенное влияние на физиологическое состояние насекомых и устойчивость к биопрепаратам на основе Bacillus thuringiensis. Раскрытие указанных взаимодействий позволит установить механизмы управления данными системами и разработать новые подходы к экологически безопасному контролю экономически значимых видов насекомых и расширить возможности получения органической сельхозпродукции. Поиск эффективных и экологически безопасных методов контроля численности насекомых, в том числе колорадского жука, является актуальной проблемой и соответствует направлению из Стратегии НТР РФ H4 «…разработка и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных».