References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/VJ16.112

vavilov-528

Research Article

Функциональная генетика и генотоксикология. ОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Functional genetics and genotoxicology. ORIGINAL ARTICLE

Моделирование генетических процессов формирования резистентности к фипронилу в популяциях колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata Say)

Modeling of genetic processes underlying the development of resistance to fipronil in the Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say)

Китаев

К. А.

Kitaev

K. A.

cordek@ya.ru

Марданшин

И. С.

Mardanshin

I. S.

Сурина

Е. В.

Surina

E. V.

Леонтьева

Т. Л.

Leontieva

T. I.

Удалов

М. Б.

Udalov

M. B.

Беньковская

Г. В.

Benkovskaya

G. V.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа, РоссияРоссияInstitute of Biochemistry and Genetics USC RAS, Ufa, RussiaRussian Federation

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Башкирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства», Уфа, РоссияРоссияBashkirian Institute of Agriculture, Ufa, RussiaRussian Federation

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, РоссияРоссияBashkir State Agrarian University, Ufa, RussiaRussian Federation

2016

12032016

2017886

2016

Китаев К.А., Марданшин И.С., Сурина Е.В., Леонтьева Т.Л., Удалов М.Б., Беньковская Г.В.

Kitaev K.A., Mardanshin I.S., Surina E.V., Leontieva T.I., Udalov M.B., Benkovskaya G.V.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/528

Основным способом контроля численности вредителей остается обработка химическими инсектицидами. Эффективность применения инсектицидов снижается из-за формирования резистентности в популяциях вредителей. Это особенно актуальная проблема при борьбе с колорадским жуком. Для замедления развития устойчивости к химическим препаратам предлагаются разные стратегии применения инсектицидов. На основе данных комплексного многолетнего исследования нами была предложена гипотеза замедления развития устойчивости за счет применения пониженных доз инсектицидов. Мы построили прогностическую дискретную генетическую модель развития устойчивости в популяциях колорадского жука для проверки нашей гипотезы. Модель, основанная на классических уравнениях популяционной генетики, была дополнена действием различных факторов. Расчеты коэффициентов выживаемости особей колорадского жука велись с учетом статистических закономерностей распределения дозы токсического вещества после обработок инсектицидами. Используя логнормальное распределение, мы рассчитали коэффициенты выживаемости разных генотипов при изменении дозы обработки инсектицидами в два и более раз. Дополнительно ввели в модель фактор дифференцированной смертности во время зимовки. Использование данных об изменении соотношения встречаемости фенетических маркеров неспецифической устойчивости к факторам среды позволило провести расчеты модели с опосредованными межгенными взаимодействиями. На данной модели были проверены различные гипотезы в разработке стратегии преодоления резистентности. Расчеты показали, что применение минимально эффективных доз инсектицидов (пониженных доз) приводит к замедлению увеличения доли резистентных особей в популяциях колорадского жука на пару сезонов. При чередовании применения инсектицидов из разных химических классов устойчивость развивается гораздо медленнее. Наиболее оптимальной стратегией являются межсезонное чередование применения инсектицидов разных химических классов и обработка пониженными дозами.

The main method of pest control is by applying chemical insecticides. The efficacy of insecticides is reduced due to the development of resistance by pest populations. This is an especially important problem with the Colorado potato beetle. There are different strategies for the use of insecticides to slow the development of resistance. Based on long lasing research, we propose a hypothesis about delaying the development of resistance by applying insecticides at low doses. To test this hypothesis, we have built predictive discrete genetic models of resistance in Colorado potato beetle populations. The model based on the classical equations of population genetics has been supplemented by various factors. Calculations of the survival rates of Colorado potato beetle individuals were carried out taking into account the statistical regularities of the distribution of the toxic substance after treatment by insecticides. We have calculated the survival rates of different genotypes using a lognormal distribution after changing the insecticide dose two-fold or more. The factor of differentiated mortality during the winter was additionally introduced into the model. The use of phenetic markers of nonspecific resistance to environmental factors allowed us to compute the model with mediated intergenic interactions. Various hypotheses about strategies in overcoming resistance have been tested using this model. Calculations demonstrated that the use of insecticides at minimum effective doses (low dose) leads to a slower increase in the proportion of resistant individuals in populations of the Colorado potato beetle for two seasons. Resistance develops much more slowly following alternate treatment with insecticides from different chemical classes. The best strategy is through off-season treatment with insecticides of different chemical classes at lower doses.

защита картофелярезистентность к инсектицидампониженная доза инсектицидафипронилгенетическое моделированиепопуляцияколорадский жукLeptinotarsa decemlineata

protection of potato resistance against insecticidesinsecticides at low dosesfipronilgenetic modelingpopulationColorado potato beetleLeptinotarsa decemlineata

References1

Алтухов Ю.П., Салменкова Е.А., Курбатова О.Л., Политов Д.В., Евсюков А.Н., Жукова О.В., Захаров И.А., Моисеева И.Г., Столповский Ю.А., Пухальский В.А., Поморцев А.А., Упелниек В.П., Калабушкин Б.А. Динамика популяционных генофондов при антропогенных воздействиях. М.: Наука, 2004.

Altukhov Yu.P., Salmenkova E.A., Kurbatova O.L., Politov D.V., Evsyukov A.N., Zhukova O.V., Zakharov A.I., Moiseeva I.G., Stolpovsky Yu.A., Pukhalsky V.A., Pomortsev A.A., Upelniek V.P., Kalabushkin B.A. Dinamika populjacionnyh genofondov pri antropogennyh vozdejstvijah [Dynamics of Population Gene Pools under Anthropogenic Pressures]. Moscow, Nauka, 2004.

Безель В.С., Большаков В.Н., Воробейчик Е.Л. Популяционная экотоксикология. М.: Наука, 1994.

Alyokhin A., Baker M., Mota-Sanchez D., Dively G., Grafius E. Colorado potato beetle resistance to insecticides. Am. J. Potato Res. 2008;85:395-413.

Беньковская Г.В. Дифференциация жизненных стратегий и фенотипы имаго Leptinotarsa decemlineata Say. Особь и популяция. Матер. IX Всерос. популяционного семинара. Уфа, 2006;1:23-28.

Alyokhin A. Colorado potato beetle management on potatoes: current challenges and future prospects. Fruit, Vegetable and Cereal Sci. and Biotech. 2009;3(1):10-19.

Беньковская Г.В. Эколого-физиологические характеристики и полиморфизм имаго колорадского жука на территории Башкортостана. Науч. ведомости БелГУ. Сер. естественные науки. 2009; 3(8):56-67.

Argentine J.A., Clark M.J., Ferro D.N. Computer simulation of insecticide resistance management strategies for control of Colorado potato beetle (Coleoptera: Chrysomelidae). J. Agric. Enlomol. 1994; 11(2):137-155.

Беньковская Г.В., Леонтьева Т.Л., Удалов М.Б. Резистентность колорадского жука к инсектицидам на Южном Урале. Агрохимия. 2008а;8:55-59.

Baker M.B., Alyokhin A., Porter A.H., Ferro D.N., Dastur S.R., Galal N. Persistence and inheritance of costs of resistance to imidacloprid in Colorado potato beetle. J. Eco. Entomol. 2007;100:1871-1879.

Беньковская Г.В., Удалов М.Б., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Феногенетический полиморфизм колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say как показатель его резистентности к инсектицидам. Агрохимия. 2004;12:1-6.

Benkovskaya G.V. Differentiation of life strategies and the phenotypes of adult Leptinotarsa decemlineata Say. Osob i populyatsiya – strategii zhizni. Materialy dokladov IX Vserossiyskogo populyatsionnogo seminara. [An individual and a population: life strategies. Proceedings of the 9th All-Russia Population Seminar]. Ufa, 2006;1:23-28.

Беньковская Г.В., Удалов М.Б., Хуснутдинова Э.К. Генетическая основа и фенотипические проявления резистентности колорадского жука к фосфорорганическим инсектицидам. Генетика. 2008б;44(5):638–644.

Benkovskaya G.V. Ecological and physiological characteristics and the Colorado potato beetle adults polymorphism in Bashkortostan. Nauchnye vedomosti BelGU. Seriya estestvennye nauki = Belgorod State University Scientific Bulletin. Natural sciences. 2009;3(8):56-67.

Глупов В.В., Бахвалов С.А., Соколова Ю.Я. Внутренние защитные системы насекомых. Патогены насекомых: структурные и функциональные аспекты. Под ред. В.В. Глупова. М.: Круглый год, 2001.

Benkovskaya G.V., Leontieva T.L., Udalov M.B. Colorado potato beetle resistance to insecticides in the Southern Urals. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2008а;8:55-59.

Долженко В.И. Совершенствование ассортимента инсектицидов и технологий их применения для защиты картофеля от вредителей. Агрохимия. 2009;4:43-54.

Benkovskaya G.V., Leontieva T.L., Udalov M.B. Colorado beetle resistance to insecticides in South Urals. Res. Pest Man. News. 2009; 19(1):3-4.

Дубовский И.М., Крюков В.Ю., Беньковская Г.В., Ярославцева О.Н., Сурина Е.В., Глупов В.В. Активность ферментов детоксицирующей системы и интенсивность инкапсуляции у личинок колорадского жука Leptinotarsa decemlineata (Say) при воздействии фосфорорганического инсектицида и энтомопатогенного гриба Metharizium anisopliae (Metsch.). Евраз. энтомол. журнал. 2010;9(4):577-582.

Benkovskaya G.V., Udalov M.B. Colorado Potato Beetles Investigations in the South Urals. N.Y.: Nova Science Publ., 2011.

Климец Е.П. Выявление чувствительности колорадского жука к действию инсектицидов с помощью фенов. Фенетика природных популяций. М., 1988.

Benkovskaya G.V., Udalov M.B. Khusnutdinova E.K. The genetic base and phenotypic manifestations of Colorado potato beetle resistance to organophosphorus insecticides. Genetika = Genetics (Moscow). 2008б;44(5):638-644.

Крюков В.Ю., Леднев Г.Р., Дубовский И.М., Серебров В.В., Левченко М.В., Ходырев В.П., Сагитов А.О., Глупов В.В. Перспективы применения энтомопатогенных гифомицетов (Deuteromycota, Hyphomycetes) для регуляции численности насекомых. Евраз. энтомол. журнал. 2007а;6(2):195-204.

Benkovskaya G.V., Udalov M.B., Poskryakov A.C., Nikolenko A.G. Phenogenetical polymorphism of Colorado potato beetle Leptinotarsa decemlineata Say as a measure of its resistance to insecticides. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2004;12:1-6.

Крюков В.Ю., Серебров В.В., Малярчук А.А., Копжасаров Б.П., Мухамадиев Н.С., Орынбаева А.К., Ходырев В.П. Перспективы использования энтомопатогенных гифомицетов (Deuteromycota, Hyphomycetes) против колорадского жука в условиях Юго-Восточного Казахстана. Сиб. вестник с.-х. науки. 2007б;4:52-60.

Bezel C.S., Bolshakov C.N., Vorobeychik E.L. Populyatsionnaya ekotoksikologiya [Population Ecotoxicology]. Moscow, Nauka, 1994.

Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высш. шк., 1990.

Clark J.M., Lee S.H., Kim H.J., Yoon K.S., Zhang A. DNA-based genotyping techniques for the detection of point mutation associated with insecticide resistance in Colorado potato beetle Leptinotarsa decemlineata. Pest Man. Sci. 2001;57:968-974.

Марданшин И.С., Беньковская Г.В., Китаев К.А., Сурина Е.В., Леонтьева Т.Л., Удалов М.Б. Как замедлить процесс возникновения резистентности у колорадского жука к препарату Регент. Защита и карантин растений. 2012;5:14-15.

Dolzhenko V.I. Improving the range of insecticides and technologies of their application to protect potatoes against pests. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2009;4:43-54.

Рославцева С.А. Мониторинг резистентности колорадского жука к инсектицидам. Агрохимия. 2005;2:61-66.

Dubovskiy I.M., Kryukov V.Yu., Benkovskaya G.V., Yaroslavtseva O.N., Surina E.V., Glupov V.V. Activity of the detoxificative enzyme system and encapsulation rate in the Colorado potato beetle Leptinotarsa decemlineata (Say) larvae under organophosphorus insecticide treatment and entomopathogenic fungus Metharizium anisopliae (Metsch.) infection. Evraziatskiy Entomologicheskiy Zhurnal = Euroasian Entomological Journal. 2010;9(4):577-582.

Рославцева С.А. Резистентность к инсектицидам в популяциях колорадского жука. Агрохимия. 2009;1:87-92.

Glupov V.V., Bahvalov S.A., Sokolova Y.Y. Vnutrennie zashchitnye sistemy nasekomykh [Internal defence systems of insects]. Patogeny nasekomykh: strukturnye i funktsionalnye aspekty. Pod red. V.V. Glupova [Pathogens of Insects: Structural and Functional Aspects. Ed. V.V. Glupov]. Moscow, Kruglyy god, 2001.

Рославцева С.А., Диденко Л.Н. Исследования популяций колорадского жука. Агрохимия. 2010;4:80-85.

Jiang W.H., Guo W.C., Lu W.P., Shi X.Q., Xionga M.H., Wanga Z.T., Li G.Q. Target site insensitivity mutations in the ACHE and LDVssc1 confer resistance to pyrethroids and carbamates in Leptinotarsa decemlineata in Northern Xinjiang Uygur autonomous region. Pes. Biochem. Physiol. 2011;100(1):74-81.

Сурина Е.В., Беньковская Г.В. Микозы в популяциях Leptinotarsa decemlineata Say на территории РБ. Матер. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием «Экология, эволюция и систематика животных». Рязань, 2009.

Klimets E.P. Vyyavlenie chuvstvitelnosti koloradskogo zhuka k deystviyu insektitsidov s pomoshchyu fenov [Identification of the Colorado potato beetle susceptibility to the action of insecticides using phenes]. Fenetika prirodnykh populyatsiy [Phenetics of Natural Populations]. Moscow, Nauka, 1988.

Сурина Е.В., Беньковская Г.В. Некоторые аспекты коадаптации энтомопатогенных грибов и колорадского жука на Южном Урале. В мире научных открытий. 2010;4(1):61-64.

Kryukov V.Yu., Lednev G.R., Dubovskiy I.M., Serebrov V.V., Levchenko M.V., Khodyrev V.P., Sagitov A.O., Glupov V.V. New approaches to the biological control of insects by entomopathogenic Hyphomycetes (Deuteromycota, Hyphomycetes). Evraziatskiy Entomologicheskiy Zhurnal = Euroasian Entomological Journal. 2007а;6(2):195-204.

Сурина Е.В., Удалов М.Б., Беньковская Г.В. Популяционно-генетические аспекты восприимчивости колорадского жука к микозам на территории Республики Башкортостан. Экология. 2013;3: 204-209.

Kryukov V.Y., Serebrov V.V., Malyarchuk A.A., Kopzhasarov B.P., Mukhamadiev N.S., Orynbayeva A.K., Khodyrev V.P. Prospects to the use entomopathogenic filamentous fungi (Deuteromycota, Hyphomycetes) against Colorado potato beetle under conditions of South-Eastern Kazakhstan. Sibirskiy Vestnik Selskokhozyaystvennoy Nauki = Siberian Herald of Agricultural Sciences. 2007б;4: 52-60.

Сухорученко Г.И. Положение с резистентностью вредных видов в растениеводстве России в начале XXI века. Матер. II Всерос. съезда по защите растений. СПб., 2005.

Lakin G.F. Biometriya [Biometrics]. Moscow, Vysshaya shkola, 1990.

Сухорученко Г.И., Долженко В.И., Гончаров Н.Р., Васильева Т.И., Иванов С.Г., Иванова Г.П., Тайманов Ш.И., Зенькевич С.В., Зверев А.А., Белых Е.Б. Технология и методы оценки побочных эффектов от пестицидов. СПб.: ВИЗР, 2006.

Li A., Yang Y., Wu S., Li C., Wu Y. Investigation of resistance mechanisms to fipronil in diamondback moth (Lepidoptera: Plutellidae). J. Ecol. Entomol. 2006;99(3):914-919.

Сухорученко Г.И., Зильберминц И.В., Кузьмичев А.А. Определение резистентности вредителей сельскохозяйственных культур и зоофагов к пестицидам. М.: ВАСХНИЛ, 1990.

Mardanshin I.S., Benkovskaya G.V., Kitaev K.A., Surina E.V., Leontieva T.L., Udalov M.B. How we can slow the emergence of resistance to drug Regent in the Colorado potato beetle. Zashchita i Karantin Rasteniy = Plant Protection and Quarantine. 2012;5:14-15.

Удалов М.Б., Беньковская Г.В. Изменения уровня полиморфизма в популяциях колорадского жука на Южном Урале. Экол. генетика. 2010;8(3):61-66.

Narahashi T., Zhao X., Ikeda T., Nagata K., Yeh J.Z. Differential actions of insecticides on target sites: basis for selective toxicity. Hum. Exp. Toxicol. 2007;26(4):361-366.

Alyokhin A., Baker M., Mota-Sanchez D., Dively G., Grafius E. Colorado potato beetle resistance to insecticides. Am. J. Potato Res. 2008;85:395-413.

Roslavtseva S.A. Monitoring of the Colorado potato beetle resistance to insecticides. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2005;2:61-66.

Alyokhin A. Colorado potato beetle management on potatoes: current challenges and future prospects. Fruit, Vegetable and Cereal Sci. and Biotech. 2009;3(1):10-19.

Roslavtseva S.A. Resistance to insecticides in populations of Colorado potato beetle. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2009;1:87-92.

Roslavtseva S.A., Dydenko L.N. Investigations of Colorado potato beetle populations. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2010;4:80-85.

Sayyed A.H., Wright D.J. Fipronil resistance in the diamondback moth (Lepidoptera: Plutellidae): Inheritance and number of genes involved. J. Ecol. Entomol. 2004;97(6):2043-2050.

Benkovskaya G.V., Leontieva T.L., Udalov M.B. Colorado beetle resistance to insecticides in South Urals. Res. Pest Man. News. 2009; 19(1):3-4.

Sukhoruchenko G.I. Status of resistance in crop pest species in the Russia at the beginning of the XXI century. Materialy II Vserossiyskogo sezda po zashchite rasteniy [Материалы II Всероссийского съезда по защите растений]. Saint-Petersburg, 2005.

Benkovskaya G.V., Udalov M.B. Colorado Potato Beetles Investigations in the South Urals. N.Y.: Nova Science Publ., 2011.

Sukhoruchenko G.I., Dolzhenko V.I., Goncharov N.R., Vasilyeva T.I., Ivanov S.G., Ivanova G.P., Taimanov Sh.I., Senkevich S.V., Zverev A.A., Belyh E.B. Tekhnologiya i metody otsenki pobochnykh effektov ot pestitsidov [Technology and Methods for Assessing Side Effects of Pesticide Application]. Saint-Petersburg, VIZR Publ., 2006.

Sukhoruchenko G.I., Zilbermintz I.V., Kuzmichev A.A. Opredelenie rezistentnosti vrediteley selskokhozyaystvennykh kultur i zoofagov k pestitsidam [Determination of Resistance of Crop Pests and Zoophages to Pesticides]. Moscow, VASKHNIL Publ., 1990.

Surina E.V., Benkovskaya G.V. Mycosis in populations of Leptinotarsa decemlineata Say in the territory of the Republic of Bashkortostan. Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem «Ekologiya, evolyutsiya i sistematika zhivotnykh» [Proceedings of the All-Russia research and training conference with foreign participants “Animal ecology, evolution, and systematics”]. Ryazan, 2009.

Li A., Yang Y., Wu S., Li C., Wu Y. Investigation of resistance mechanisms to fipronil in diamondback moth (Lepidoptera: Plutellidae). J. Ecol. Entomol. 2006;99(3):914-919.

Surina E.V., Benkovskaya G.V. Some aspects of co-adaptations of entomopathogenic fungi and the Colorado potato beetle in the Southern Urals. V Mire Nauchnykh Otkrytiy = In the World of Scientific Discoveries. 2010;4-1:61-64.

Narahashi T., Zhao X., Ikeda T., Nagata K., Yeh J.Z. Differential actions of insecticides on target sites: basis for selective toxicity. Hum. Exp. Toxicol. 2007;26(4):361-366.

Surina E.V., Udalov M.B., Benkovskaya G.V. Population-genetic aspects of susceptibility of Colorado potato beetle to fungal infections in the territory of the Republic of Bashkortostan. Ekologiya = Ecology. 2013;3:204-209.

Sayyed A.H., Wright D.J. Fipronil resistance in the diamondback moth (Lepidoptera: Plutellidae): Inheritance and number of genes involved. J. Ecol. Entomol. 2004;97(6):2043-2050.

Surina E.V., Udalov M.B., Benkovskaya G.V. Population genetic aspects of susceptibility of the Colorado potato beetle to mycopathogens in the Republic of Bashkortostan. Rus. J. Ecology. 2013;44(3): 227-232.

Stankovic S., Zabel A., Kostic M., Manojlovic B., Rajkovic S. Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) resistance to organophosphates and carbamates in Serbia. J. Pest. Sci. 2004;77: 11-15.

Tabashnik B.E. Modeling and evaluation of resistance management tactics. Pesticide Resistance in Arthropods. Ed. R.T. Roush, B.E. Tabashnik. L.: Chapman and Hall, 1990.

Udalov M.B., Benkovskaya G.V. Change of polymorphism leve l in Colorado potato bee tle populations in the Southern Urals. Ekologicheskaya Genetika = Ecological Genetics (Saint-Petersburg). 2010;8(3):61-66.

Zhang J., Goyer C., Pelletier Y. Environmental stresses induce the expression of putative glycine-rich insect cuticular protein genes in adult Leptinotarsa decemlineata (Say). Insect Mol. Biol. 2008;17(3): 209-216.

Zhu Y.K., Lee S.H., Clark J.M. A point mutation of acetylcholinesterase associated with azinphosmethyl resistance and reduced fitness in Colorado potato beetle. Pest. Biochem. Physiol. 1996;55:100-108.

Zichova T., Kocourek F., Salava J., Nad’ová K., Stará J. Detection of organophosphate and pyrethroid resistance alleles in Czech Leptinotarsa decemlineata (Coleoptera: Chrysomelidae) populations by molecular methods. Pest. Man. Sci. 2010;66:853-860.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.