CC BY
68
УДК 632.937;595.142.39;591.23
Эволюция резистентности вредных чешуекрылых к Bt-растениям: факторы, ее ускоряющие и замедляющие
А.Г. ВИКТОРОВ, старший научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН e-mail: [email protected]
Борьба человека с вредными членистоногими продолжается не одно тысячелетие. Надежда на успех в этой неравной борьбе появилась лишь в середине прошлого века, после начала массового применения синтетических органических пестицидов. Однако радость первых побед сменилась разочарованием из-за возникновения и широкого распространения устойчивости к ним вредителей. Если в 1950-е годы большой редкостью были резистентные к химическим инсектицидам насекомые, то в 1980-е годы, наоборот, стали редки насекомые, полностью к ним чувствительные. Благодаря микроэволюционным процессам число видов насекомых и клещей, устойчивых к пестицидам, увеличилось с 7 в 1938 г до 447 в 1984 г При этом оказалось, что если в конце 1930-х годов редкие случаи резистентности относились лишь к ДДТ, то спустя полвека 17 видов насекомых были устойчивы ко всем основным классам инсектицидов (ДДТ, циклодинам, органофосфа-там, карбаматам, пиретроидам), а более 200 видов были резистентны более чем к одному из этих классов. Скорость, с которой увеличивалось число видов членистоногих, устойчивых к пестицидам, стала снижаться лишь в начале 1980-х годов. Но это было связано не с замедлением микроэволюци-
онных процессов, а с тем, что эволюцию прошел практически весь список вредителей, и «новые случаи» возникали главным образом у видов, уже устойчивых к другим классам соединений [7].
Осознание бесперспективности полувекового пути по разработке новых синтетических инсектицидов заставило транснациональные химические корпорации искать новую стратегию защиты растений. Так появились генетически-моди-фицированные Bt-растения, содержащие 8-эндотоксин-кодирую-щие гены грамположительной аэробной спорообразующей бактерии Bacillus thuringiensis. 8-эндо-токсины - многочисленный класс Cry- и Cyt-белков, вызывающий лизис кишечника личинок насекомых разных отрядов. Препараты, содержащие смесь клеток и спор B. thuringiensis, а также параспо-ральных кристаллов (локализованные рядом со спорой) 8-эндо-токсинов, с 1938 г. использовались в биологической борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур. Важно отметить, что почти полвека к этим биопрепаратам у вредных насекомых не вырабатывалась устойчивость. Лишь в начале 1990-х годов аллели резистентности к Bt-препаратам независимо друг от друга появились в ряде популяций капустной моли Plutella maculipennis Curt. [13].
При создании и разработке правил применения Bt-культур учитывался горький опыт использования пестицидов, показавший, что в изолированных популяциях мутации, дающие селективное преимуще-
ство, распространяются значительно лучше. Так, например, популяция колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say., населяющая Лонг-Айленд, выработала устойчивость к инсектицидам значительно быстрее материковой. Ей понадобилось 7 лет, чтобы стать резистентной к ДДТ, 5 лет, чтобы приспособиться к азинфосфометилу, сменившему ДДТ, 2 года - к карбо-фурану, 2 года - к пиретроиду и 1 год - к пиретроиду с синергистом [7]. Такая скорость микроэволюции связана с тем, что в островной популяции частота мутаций резистентности не уменьшалась из-за разбавления «диким» типом за счет иммиграции.
Во избежание повторения подобных ситуаций в случае ГМ-культур была использована стратегия ре-фугиев. Она заключается в том, что для каждой Bt-культуры устанавливается и доля поля (рефугий*), засеянного традиционным сортом, и его расположение относительно посева трансгенной культуры. Так, например, для Bt-кукурузы по требованиям ЕРА** США рефугий должен занимать площадь не менее 20 % и располагаться в виде широкой полосы в центре поля либо чересполосицы («матроски»), либо обрамлять края поля [4].
Стратегия рефугиев наиболее эффективна в случаях, когда аллель, позволяющая ее обладателю безвредно (или относительно безвредно) поедать Bt-растение, редка и рецессивна. Но создатели Bt-культур попытались застраховать себя даже от случаев появления еще более редких доминантных аллелей. Для этого синтез Cry-белков в растительных тканях устанавливался (точнее говоря, должен быть установлен) на столь высоком уровне, что функционально доминантные аллели резистентности стано-
* Refugium - убежище (лат.).
** Агентство по защите окружающей среды.
вились функционально рецессивными (явление подобной модификации доминантности было ранее описано и для высоких доз синтетических органических пестицидов). Поэтому стратегия защиты от распространения аллелей устойчивости называют также стратегией «рефугиев - высоких доз».
Стратегия «рефугиев - высоких доз» основана на том, что редкие рецессивные аллели резистентности г смогут сохраняться на В^поле только в гомозиготном (гг) состоянии, в то время как гомозиготные (ее) и гетерозиготные (гв) носители аллели в (чувствительного к В^токсину) будут безусловно погибать. Выжившие и очень редкие гомозиготы гг будут иметь больше шансов спариться не друг с другом, а с относительно многочисленными чувствительными гомозиготами вв из рефугия. Все их потомство будет соответственно гетерозиготным (гв). При этом следует учесть, что приспособленность к В^токсину может делать носителей аллели г менее приспособленными к жизни в его отсутствии. Разница в жизнеспособности особей, резистентных к В^токсину и чувствительных к нему, называется ценой резистентности, или ценой приспособленности. Если резистентность будет рецессивной, гв будут иметь шанс выжить только в рефугиях и потому разница в ценах приспособленности гв и вв к жизни в рефугии представляет собой ключевой фактор в эволюции резистентности. В случае рецессивной цены приспособленности выживаемость в рефугиях ниже для гг, чем для вв, но не отличается между гв и вв. Напротив, при нерецессивной цене приспособленности выживаемость в рефугиях ниже для гв, чем для вв. В этом случае естественный отбор, действуя против гв, будет приводить к уменьшению концентрации аллелей резистентности г. Если естественный отбор против аллелей резистентно-
сти в рефугиях будет сильнее отбора аллелей резистентности на Bt-поле, то частота аллелей r будет находиться в равновесии между мутацией и отбором. Поскольку отбор против аллелей резистентности r увеличивается с размером рефугия, то их равновесная частота уменьшается, когда размер убежища увеличивается. Отсюда следует важный практический вывод: при повышении частоты аллелей резистентности r необходимо увеличивать размер рефугия [5].
Однако, как показала жизнь, многие фермеры ради сиюминутной прибыли не соблюдали жизненно важное «правило рефугия» и старались как можно больше принадлежащих им земель засевать ГМ-культурами. Доля нарушителей этих правил росла по мере распространения Bt-растений. Так, если в 2003 г в США рекомендации ЕРА по размеру и расположению рефугиев не соблюдало 8 % фермерских хозяйств, выращивающих Bt-куку-рузу, то в 2008 г. их уже было 27 % [9]. Казалось бы обратная ситуация наблюдалась в ЮАР, где в 1998 г. только 7,7 % фермеров, высевавших Bt-кукурузу, соблюдали правила, а в 2008 г. - почти 100 %. Однако эта история скорее подтверждает правило, чем представляет собой исключение из него: с 2006 г. в южноафриканской популяции кукурузной стеблевой огневки {Busseo-la fusca Fuller) начала лавинообразно распространяться мутация устойчивости к Bt-кукурузе, нанося тем самым существенный экономический ущерб и заставляя применять синтетические инсектициды [10].
Распространение аллелей резистентности к Bt-токсину нельзя связывать только с несоблюдением «правила рефугия»: на деле оказалось невозможным сконструировать трансгенное растение, во всех тканях которого концентрация Cry-белков находится на протяжении всего жизненного цикла на постоян-
но высоком уровне. Так, у трансгенной кукурузы Bt11 наиболее интенсивная экспрессия Cry-белков происходит в тканях листьев. Ее пик приходится на 25-й день жизни кукурузы - 168 нг/мг. Однако со временем этот показатель падает и уже на 84-й день составляет лишь 10,2 нг/мг Уровень синтеза Cry-бел-ков в других тканях кукурузы в период ее зрелости находится на модальном значении - 6 нг/мг. В Индии фермеры предпочитают трансгенный хлопчатник с большей продолжительностью жизни и поздним созреванием, так как по сравнению с другими трансгенами он имеет большие коробочки и лучшее качество волокна. Однако именно у сортов с более высокими потребительскими качествами на ранних сроках развития снижается уровень синтеза Cry-белков, что заставляет во избежание экономического ущерба, применять инсектициды на этих посевах [1].
Сезонное уменьшение концентрации токсина в Bt-растениях может отключать описанный выше механизм модификации доминантности и тем самым ускорять эволюцию резистентности. Эти процессы описаны у тех вредителей, чувствительность которых к Cry-белкам невысока. Так, например, резистентность хлопковой совки Helicoverpa armígera к белку Сгу1Ас в стадии 56 листьев хлопчатника рецессивна, а в стадии 15 листьев - доминантна. К этому возрасту концентрация Bt-токсина в тканях хлопчатника Bollgard падает на 75 % [3].
Модифицировать экспрессию бактериального гена в трансгенном растении могут многие факторы окружающей среды. Например, к уменьшению синтеза Cry1Ac белков у Bt-хлопчатника Bollgard приводит как дефицит N, так и повышение концентрации СО2. Повышение температуры окружающей среды до 37 °С вызывает существенное снижение содержания Cry1Ac белков в растениях хлопчатника на ста-
дии семенных коробочек. Существенно снижают уровень синтеза Bt-эндотоксина как дефицит, так и избыток H2O, однако степень этого снижения зависит от уровня влажности и конкретного органа растения [1].
Взаимодействие вышеперечисленных, а также множества других биотических и абиотических факторов и определяет скорость эволюции резистентности к Bt-токси-нам у вредных насекомых. Сравнение времени, понадобившегося вредителям хлопчатника для выработки невосприимчивости к ДДТ и Bt-токсину, показало, что первый вид {американская хлопковая совка Helicoverpa zea), резистентный к Bt-хлопчатнику, появился уже через 7 лет после его коммерциализации [5]. В случае же с ДДТ это произошло лишь на 11-й год. На основании того, что вслед за H. zea ежегодно у одного вида чешуекрылых возникала устойчивость к Bt-хлопчатнику, был сделан вывод, что скорость приспособления насекомых к Bt-токсину выше, чем к ДДТ. Однако за скобками остался вопрос о числе поколений, которое понадобилось для закрепления в популяциях соответствующих аллелей резистентности. Хорошо известно, что скорость выработки устойчивости к инсектицидам коррелирует с продолжительностью жизненного цикла. Так, среди 8 видов фитофагов, повреждающих подземные части растений, быстрее всего {за 5 лет) выработалась устойчивость к пестициду альдри-ну/диэльдрину у луковой моли {Hylemia sp.), дающей от 3 до 4 поколений в год, а медленнее всего {за 20 лет) - у тайваньского трост-никовосахарного жука-щелкунчика Melanotus tamsuyensis, имеющего двухлетний жизненный цикл [8].
Если посмотреть на эти данные с точки зрения биологического времени {числа поколений), то картина окажется обратной: луковая моль выработала резистентность
за 15-20 поколений, а щелкунчик -за 10. Несмотря на небольшой размер выборки и принадлежность к разным таксонам, и средняя и медиана данного показателя для этих 8 видов очень близки: 12,8 и 12 поколений соответственно, не сильно отличаются от этих показателей и данные у H. zea, ставшей первым устойчивым видом к Bt-хлопчатни-ку. На это ей понадобилось 7 лет, или 14 поколений.
Быстрая эволюция резистентности к белку Сгу1Ас у H. zea связана с тем, что аллель, контролирующая данный признак у этого насекомого, имеет не рецессивный, а доминантный характер. Кроме того, устойчивые линии обнаружены, главным образом, в тех штатах, где площадь рефугиев не достигала рекомендованной. Это заставило США сократить поля под Bt-хлопчатни-ком Bollgard (Cry1Ac) с 2,5 млн га в 2006 г. до 1,3 млн га в 2007 г. 15 сентября 2010 г. компания «Монсанто» вообще отказалась от Bt-хлопчат-ника Bollgard. На смену ему пришел Bt-хлопчатник с двумя инсектицидными белками - Bollgard II (Cry1 Ac/Cry2Ab) и WideStrike (Cry1F/Cry1Ac) (EPA). Два Bt-ток-сина в этих трансгенных культурах должны были бы, по идее, затруднить эволюцию устойчивости к ним вредных чешуекрылых. Однако эволюция справилась и с этой задачей: в Австралии хлопковая совка Helicoverpa punctigera (австралийский эндемик) стала резистентной к Bt-хлопчатнику Bollgard II, распространяемому в Австралии под маркой Ingard [6].
В настоящее время известно 6 видов вредных чешуекрылых, ставших резистентными к Bt-культурам. Кроме названных выше H. zea и H. punctigera, устойчивыми к инсектицидным культурам стали южноафриканская популяция кукурузной стеблевой огневки Busseola fusca Fuller. - к Bt-кукурузе (белок Cry1Ab) [10], пуэрториканская популяция кукурузной листовой
совки Spodoptera frugiperda -к Bt-кукурузе (белок CrylF) [14], западно-индийская популяция розового коробчатого червя Pectinop-hora gossypiella - к Bt-хлопчатнику (белок CrylAc) [2], северно-китайская [11] и восточно-индийская [12] популяции хлопковой совки H. armigera - к Bt-хлопчатнику (белок Cry1Ac). Очевидно, что этот список будет год от года пополняться, соответственно будет расти и экономический ущерб от применения Bt-культур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Викторов А.Г. Тканевая и временная специфичность синтеза Cry-белков у Bt-растений // Защита и карантин растений, 2008, № 12, с. 15-16.
2. Bagla P. Hardy cotton-munching pests are latest blow to GM crops // Science, 2010, v. 327, p. 1439.
3. Bird L.J. & Akhurst R.J. The fitness of Cry1A-resistant and susceptible Helicoverpa armigera (Lepidoptera, Noctuidae) on transgenic cotton with reduced levels of Cry1Ac // Journal of Economic Entomology, 2005, v. 59, p. 1166-1168.
4. Bt Plant-Incorporated Protectants October 15, 2001 Biopesticides Registration Action Document D. Insect Resistance Management // http://www.epa. gov/oppbppd1/biopesticides/pips/ bt_brad2/4-irm.pdf.
5. Carrière Y., CrowderD.W., Tabashnik B.E. Evolutionary ecology of insect adaptation to Bt crops // Evolutionary Applications, 2010, v. 3, p. 561-573.
6. Downes S., Parker T., Mahon R. Incipient resistance of Helicoverpa punctigera to the Cry2Ab Bt toxin in Bollgard II cotton // PloS One, 2010, v. 5, c. 12567.
7. Georghiou G.P. The magnitude of the resistance problem. In pesticide resistance: strategies and tactics for managements. -National Academy Press, Washington, DC, 1986, p. 14-43.
8. Georghiou G.P. Factors influencing the evolution of resistance. In pesticide resistance: strategies and tactics for management. - National Academy Press, Washington, DC, 1986, p. 157-169.
9. Jaffe G. (2009) Complacency on the Farm: Significant noncompliance with EPA's refuge requirements threatens the future effectiveness of genetically
УДК 634.1:632.7
Экологические ниши и их роль в формировании фауны членистоногих яблоневого сада
engineered pest-protected corn. Washington, DC: Center for Science in the Public Interest // http://cspinet.org/new/pdf/ complacencyonthefarm.pdf.
10. KrugerM., Van Rensburg J.B.J., Van den Berg J. Perspective on the development of stem borer resistance to Bt maize and refuge compliance at the Vaalharts irrigation scheme in South Africa // Crop Protection, 2009, v. 28, p. 684-689.
11. Liu F., Xu Z., Zhu Y.C., Huang F. etall. Evidence of field-evolved resistance to Cry1 Ac-expressing Bt cotton in Helicoverpa armígera (Lepidoptera: Noctuidae) in northern China // Pest Manage. Sci., 2010, v. 66, p. 155-161.
12. Nair R., Kalia V., Aggarwal K.K., Gujar G.T. Variation in the cadherin gene sequence of Cry1Ac susceptible and resistant Helicoverpa armigera (Lepi-doptera: Noctuidae) and the identification of mutant alleles in resistant strains // Current Science, 2013, v. 104, p. 215-223.
13. TabashnikB.E. Evolution of resistance to Bacillus thuringienis // Annual review of Entomology, 1994, v. 39, p. 47-79.
14. Tabashnik B.E., Gassmann A.J., Crowder D.W., CarriMre Y. Field evolved resistance to Bt toxins // Nature Biotechnology, 2008, v. 26, p. 1074-1976.
Аннотация. Проанализированы случаи возникновения резистентности к трансгенным Bt-растениям первого поколения (с одним инсектицидным белком) у шести видов вредителей (Lepidoptera) сельскохозяйственных культур. В большинстве случаев эволюция резистентности обусловлена несоблюдением размеров рефугиев (меньше рекомендуемых 20 %) и сезонным уменьшением концентрации Bt-токсинов в трансгенных растениях.
Ключевые слова. Bacillus thurin-giensis, трансгенные сельскохозяйственные культуры, эволюция резистентности.
Abstract. The resistance evolution of six pests (Lepidoptera) to transgenic Bt-crops with one insecticide protein was analyzed. In the majority of cases the resistance evolution was caused by the smaller size of the refuge (less than recommended 20 %) and seasonal declines in the concentration of Bt toxins in transgenic cultivars.
Keywords. Bacillus thuringiensis, transgenic crops, resistance evolution.
А.М.ЧЕРНИЙ, заведующий лабораторией защиты плодовых культур от вредителей Института защиты растений НААН Украины Е.Б. БАЛЫКИНА, ведущий научный сотрудник Никитского ботанического сада -Национального научного центра НААН Украины
Видовой состав и структура комплекса вредителей яблоневого сада в значительной степени обусловлены особенностями его агро-экосистемы, природно-климатическими условиями, характером и степенью антропогенного воздействия.
Особенности агроэкосистемы плодового сада - стабильность среды обитания, способность деревьев к регенерации органов, наличие множества экологических ниш, позволяют существовать в ней огромному количеству различных видов членистоногих и формировать долговременное биологическое сообщество [10]. Генеративными органами и вегетативными частями плодовых деревьев питается более 400 видов насекомых и клещей. С учетом связанных с ними паразитов и хищников, обитателей травянистого и древесного яруса садозащитных полос, а также привлекаемого цветущими деревьями энтомокомплекса биотическое сообщество экосистемы может достигать около 1000 видов [1].
Энтомокомплекс членистоногих плодовых культур начал формироваться еще в третичный период кайнозойской эры, когда плодовые деревья существовали в виде дикорастущих массивов [2]. В формировании фауны членистоногих
большую роль сыграла древесная, кустарниковая и травянистая растительность первичных стаций. Многие виды, мигрировавшие с дикорастущей флоры на культурные плодовые деревья, в новых условиях приобрели ряд адаптивных особенностей и со временем превратились в опасных вредителей сада. Эволюция трофических связей шла в направлении специализации от полифагии к олигофагии и частично монофагии, этот процесс продолжается и в настоящее время [6]. И если формирование качественного состава энтомокомплекса происходит в основном по каналам трофических связей, в количественном отношении структура биоценоза зависит от экологических факторов [2].
Не все организмы, обитающие в экосистеме, играют одинаково важную роль в ее функционировании. Обычно лишь немногие виды - экологические доминанты оказывают определяющее воздействие, обусловленное их численностью и вредоносностью. В агро-экосистеме яблоневого сада основным показателем является их влияние на количество и качество плодовой продукции, поэтому проблема экологического доминирования трансформируется в эколо-го-экономическую.
Каждый вид в соответствии со своими физиологическими потребностями имеет определенное место обитания и питания, то есть занимает определенную экологическую нишу. Эта экологическая закономерность имеет важное практическое значение, представляя теоретическую основу разра-
