ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

сАВУШКІНА іРИНА гЕННАДІЇВНА

УДК 574.4+595.78:582.632.2

КОНСОРТИВНІ ЗВ’ЯЗКИ ЛИСТОГРИЗУЧИХ КОМАХ
В ІНДИВІДУАЛЬНИХ КОНСОРЦІЯХ ДУБА ПУХНАСТОГО
(акумуляція і міграція важких металів, роль генетичних факторів)

03.00.16 – екологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі екології та раціонального природокористування Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Iвашов Анатолій Васильович,

Таврійський національний університет

iм. В.I. Вернадського, кафедра екології та

раціонального природокористування, завiдувач

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Цвєткова Ніна Миколаївна,

Дніпропетровський національний університет,

кафедра геоботаніки, ґрунтознавства

та екології, професор

доктор біологічних наук, професор

Царик Йосиф Володимирович,

Львівський національний університет

iм. Івана Франка, кафедра зоології, завідувач

Захист відбудеться “ 5 ” березня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 72, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Казакова, 8.

Автореферат розісланий “ 2 ” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук, доцент |

А.О. Дубина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поняття про консорції, започатковане в науці майже одночасно зоологом В.М. Беклемішевим (1951) і ботаніком Л.Г. Раменським (1952), інтегрує в собі взаємозв’язки різних видів організмів у межах окремої, досить великої особини. Сьогодні такі локальні угруповання живих організмів привертають увагу багатьох дослідників. У нашій країні, завдяки теоретичним розробкам академіка НАН України М.А. Голубця, на консорцію звернуто увагу як на елементарну екосистему, яка дуже зручна для всебічного вивчення, зокрема для пізнання організації її генопласту. За рубежем розпочато досить інтенсивні дослідження в цьому напрямі, і нині формується термінологічний апарат, що враховує роль генетичних факторів в організації екосистем. Підтвердженням слугує спеціальний випуск журналу Ecology (V.84, №3, 2003). У статтях випуску наводяться приклади, які свідчать про вплив генетичних факторів на кругообіг речовин та трансформацію енергії в екосистемі. Що стосується вивчення консорцій, то на сьогодні зрозумілими залишаються лише загальні питання цієї галузі екології. При цьому, досі досить обмежені конкретні фактичні матеріали, які б розкривали їхні різні аспекти – генетичні, біохімічні, фізіологічні тощо. Вивчення мікроугруповань комах-фітофагів, що формуються на окремих деревах, їхньої участі в акумуляції і міграції важких металів, водночас із проведенням генетичного маркірування генотипів, можна вважати першими кроками до пізнання речовинно-енергетичних та інформаційних процесів, що спряжено протікають в екосистемах.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках міжкафедральних науково-дослідних програм Таврійського національного університету: „Екологічні аспекти пізнання тваринного і рослинного світу степового і передгірського Криму” (2001 – 2005, номер державної реєстрації 0101U005236) і „Еколого-генетичні аспекти вивчення біоценозів степового і передгірського Криму” (2006 – 2010, номер державної реєстрації 0106U003978), а також у рамках тем, що фінансувалися Міністерством освіти й науки України: „Взаємодія популяцій непарного шовкопряда з патогенними мікроорганізмами: генетичні маркери вірулентності і стійкості” (2002 – 2004, номер державної реєстрації 0102U001403) і „Теоретичне обґрунтування оптимізації лісозахисних заходів у дібровах Криму: безпестицидний захист” (2005 – 2007, номер державної реєстрації 0105U002522).

Мета роботи і завдання дослідження. Основна мета дослідження - вивчити відповідно до генотипу ядра консорції консортивні зв’язки листогризучих комах в індивідуальних консорціях дуба пухнастого з аналізом процесів акумуляції і міграції деяких важких металів.

Для її досягнення було поставлено і вирішено такі конкретні завдання:

- визначити вміст важких металів у ґрунті, фітомасі дуба пухнастого, а також у личинках і екскрементах листогризучих комах та установити закономірності їхньої акумуляції і міграції;

- визначити видовий склад весняно-літнього комплексу листогризучих комах в індивідуальних консорціях дуба пухнастого й оцінити його різноманіття;

- вивчити вплив фенології окремих дерев, вмісту в їхніх листках важких металів, ентомопатогенної бактерії B. thurіngіensіs на видовий склад мікроугруповань листогризучих комах;

- виявити генетичний поліморфізм дерев дуба пухнастого за допомогою RAPD-PCR-аналізу;

- установити зв’язок між складом мікроугруповань листогризучих комах і вмістом мікроелементів у листках RAPD-маркірованих дубів;

- визначити внесок індивідуальної мінливості дерев в загальну мінливість пристосовно важливих ознак зеленої дубової листовійки, як домінувального виду у весняно-літньому комплексі комах-фітофагів – облігатних консортів.

- вивчити вплив лялечкових паразитів зеленої дубової листовійки, штамів бактерії B. thurіngіensіs на склад її мікропопуляцій в індивідуальних консорціях дуба.

Об’єкти дослідження – окремі дерева дуба пухнастого, листогризучі комахи весняно-літнього комплексу на них.

Предмет дослідження – консортивні зв’язки в індивідуальних консорціях між детермінантом консорції – дубом пухнастим і його консортами – листогризучими комахами, реалізовані у процесі міграції та акумуляції важких металів. Вплив на зелену дубову листовійку, як домінувальний вид, консортів другого концентра – лялечкових паразитів і штамів бактерії B. thurіngіensіs, а також роль генетичних факторів у цих процесах.

Методи дослідження. Визначення вмісту мікроелементів у ґрунті, фітомасі дуба пухнастого, личинках комах і їхніх екскрементах проводили атомно-абсорбційним методом. Для визначення множинних молекулярних форм карбоксилестерази і неспецифічного білка використовували метод електрофорезу в поліакриламідному гелі. Дослідження генетичного поліморфізму дерев дуба здійснювали за допомогою полімеразної ланцюгової реакції. Для оброблення результатів використовували методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

Уперше досліджено закономірності акумуляції і міграції важких металів в індивідуальних консорціях дуба пухнастого за участю листогризучих комах і показано роль генетичних факторів у цьому процесі; визначено вміст свинцю, кадмію, міді та цинку у ґрунті, окремих фракціях фітомаси дуба; вивчено їхню сезонну динаміку; відзначено наявність індивідуальної мінливості дерев за накопиченням важких металів в листках; простежено міграцію важких металів у ланцюзі: ґрунт – листя дуба пухнастого – личинки комах – їхні екскременти; обчислено рослинно-ґрунтові коефіцієнти і коефіцієнти біологічного поглинання, що характеризують ступінь акумуляції мікроелементів рослиною з ґрунту і комахами з рослини.

Вперше показано, що видовий склад мікроугруповання комах-фітофагів і його різноманіття достовірно розрізняються на деревах із ранньою, середньою і пізньою вегетацією і при цьому, щільність 7 із 13 видів комах-фітофагів достовірно корелює із вмістом важких металів у листках дуба.

Вперше виявлено, що оброблення дерев мікробіологічними препаратами на основі бактерії B. thurіngіensіs призводить до збільшення різноманітності в мікроугрупованнях комах-фітофагів.

Уперше описано індивідуальну мінливість окремих дерев дуба пухнастого за електрофоретичними спектрами ампліфікованих фрагментів ДНК і встановлено зв’язок цього генетичного фактора із вмістом важких металів у листках дуба і видовим складом мікроугруповання комах-фітофагів на окремих деревах.

Уперше визначено внесок фактора індивідуальності дерева в загальну мінливість пристосовно важливих ознак зеленої дубової листовійки, як домінувального виду у весняно-літньому комплексі комах-фітофагів.

Уперше на окремих дубах встановлено конкурентні взаємовідносини лялечкових паразитів зеленої дубової листовійки і бактерії B. thurіngіensіs. При цьому показано, що вони конкурують за найменш пристосовану частину мікропопуляцій хазяїна.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані дані стосовно генетичного поліморфізму дерев дуба пухнастого можуть бути використані при проведенні селекційної роботи зі створення форм дубів, які стійкі до ушкоджень листогризучими комахами.

Оскільки всі досліджені штами B. thurіngіensіs, застосовані в сублетальних дозах, показали досить високу ефективність, їх можна рекомендувати для регулювання щільності зеленої дубової листовійки в дібровах Криму.

Матеріали цього дослідження використовуються в лекціях зі спецкурсів „Екосистемологія” і „Основи біогеоценології” на кафедрі екології та раціонального природокористування Таврійського національного університету, зокрема в розділах, де йдеться про структурно-функціональну організацію консорцій.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є завершеною науковою роботою, яку особисто виконував автор упродовж 2000 – 2007 рр. Автором дисертаційної роботи проведено аналіз наукових літературних джерел; здійснено відбір матеріалу для дослідження на стаціонарній пробній площі „Лаврове”; виконано польові експерименти, лабораторні дослідження; проведено аналіз і узагальнення отриманих результатів, теоретичне обґрунтування матеріалу; самостійно виконано та оформлено роботу. Лабораторні дослідження проведені на кафедрі екології та раціонального природокористування ТНУ, а також у Кримському відділенні Українського державного геологорозвідувального інституту. За матеріалами дисертації в наукових журналах, що ввійшли до переліку ВАК України, опубліковано 11 наукових праць, з яких 8 у співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації апробовані на наступних конференціях: Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні екологічні проблеми Українського Полісся та суміжних територій” (Ніжин, 2001); Всеукраїнській конференції молодих учених „Актуальные вопросы современного естествознания” (Симферополь, 2003); ІІ Міжнародній науковій конференції „Биоразнообразие и роль зооценоза в естественных и антропогенных экосистемах” (Дніпропетровськ, 2003); XXXVІ і XXXVІІ щорічних конференціях товариства патологів безхребетних (Бурлингтон, штат Вермонт, США, 2003 і Хельсінкі, Фінляндія, 2004); І Міжнародній науково-практичній конференції „Науковий потенціал світу 2004” (Дніпропетровськ, 2004); Міжнародній конференції „Типологія лісів лісової зони, їх біорізноманіття та охорона” (Дніпропетровськ, 2005); ІІ Міжнародній конференції студентів і аспірантів „Молодь та поступ біології” (Львів, 2006), а також на XXXІ, XXXІІ, XXXІІІ наукових конференціях професорсько-викладацького складу Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського (2002, 2003, 2004).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 19 наукових праць, 11 з них – статті в наукових журналах, що нележать до переліку ВАК України, 8 – (тези) у матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Матеріали роботи викладені на 209 сторінках друкованого тексту. Дисертація складається із вступу, списку умовних скорочень і позначень, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, додатка. Текст ілюстрований 24 таблицями, 32 малюнками і 7 додатками. Список використаної літератури включає 339 найменувань, із них 49 закордонних авторів.

СТАН ВИВЧЕНОСТІ КОНСОРЦІЙ, МІКРОЕЛЕМЕНТНОГО І ГЕНОТИПНОГО СКЛАДУ ЇХНІХ УЧАСНИКІВ

Уявлення про консорцію, введене в екологію майже одночасно завдяки роботам зоолога В.М. Беклемішева (1951) і ботаніка Л.Г. Раменського (1952), одержало подальший розвиток у роботах відомих учених (Лавренко, 1959; Емельянов, 1965; Мазинг, 1966; Селиванов, 1968, 1974; Дылис, 1973; Корчагин, 1976; Быков, 1978; Голубец, Чернобай, 1983; Работнов, 1992; Рудышин, Царик, 1982; Голубец, 1982, 2000; Царик, 1985; Царик, 1999; Ивашов, 1987, 1991, 2001 та ін.).

Особливий інтерес для вивчення має індивідуальна консорція. Вона як екологічна система включає ті самі функціональні блоки, що і біогеоценоз (продуценти, консументи, редуценти і свій мікроекотоп) і в ній здійснюються елементарні акти біотичного кругообігу та трансформації енергії (Голубець, 2000). Як і будь-яка екологічна система, індивідуальна консорция складається з двох структурованих підсистем. Саме на її рівні здійснюється взаємодія, (коадаптація) детермінанта і його консортів. Центральний організм консорції (детермінант) визначає характер середовища існування для організмів-консортів. Він діє на консорти різних концентрів безпосередньо та опосередковано і є чинником їхнього природного добору (Ивашов, 2001).

Індивідуальна консорція є живим об'єктом і характеризується певним хімізмом, в тому числі і мікроелементним складом. Серед усіх мікроелементів особливе місце посідають важкі метали. Проаналізовано роботи, присвячені їхньому вмісту і розподілу у ґрунтах (Виноградов, 1962; Ильин, 1985, 1987; Ильин и др., 1988, 1997; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Черных, 1996 та ін.), рослинах (Трейман, 1981; Биогеоценотический покров…, 1983; Ильин, 1985, 1991; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Бессонова, 1991; Цветкова, 1992 та ін.), окремих групах тварин (Войнар, 1960; Брень, 1999; Ван Страален и др, 1999; Пахомов и др., 2001; Кульбачко, 2002), зокрема у комах (Томшин, 1973; Пономаренко и др., 1974; Жулидов, 1980; Бутовский, 1984). Розглянуто роботи, які були присвячені вивченню характеру накопичення і перерозподілу мікроелементів, у системі ґрунт – рослина (Биогеоценотический покров…, 1983; Растения в …, 1983; Ильин, 1985, 1991; Бессонова, 1991; Цветкова, 1992; Сараненко, 2006; Якуба, 2006 та ін.). Водночас відзначено, що роботи присвячені міграції важких металів у системі ґрунт – рослина – комаха-фітофаг обмежені або навіть зовсім відсутні.

Проаналізовано питання, що стосуються ролі генетичного фактора у консортивних зв’язках. Відзначено, що на сьогодні відомі лише нечисленні дані щодо генотипів (фенотипів) консортів, асоційованих з окремими характеристиками детермінантів консорцій, але немає даних, які б свідчили про роль генетики ядра консорції у процесах трансформації речовин і енергії, а також у процесах інформаційного характеру. По суті, йдеться про відсутність даних, що вказували б на спряженість речовинних, енергетичних і інформаційних процесів в індивідуальних консорціях як елементарних екосистемах.

ОБ'ЄКТИ, МІСЦЕ І МЕТОДИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

Дослідження проводили на постійній пробній площі „Лаврове”, розташованої на Південному березі Криму, неподалік від с. Лаврове у смузі так званих Південнобережних шибляків. Тип біогеоценозу – суха грабинникова діброва. Рельєф місцевості тут має рівчаковобалочний характер.

Об’єктами вивчення були окремі дерева дуба пухнастого як детермінанти консорцій, а також їхні консорти першого концентра – весняно-літній комплекс листогризучих комах. Крім того, були досліджені деякі види лялечкових паразитів (паразитоїдів) зеленої дубової листовійки, що належать до консортів другого концентра досліджуваних консорцій.

Ідентифікацію зборів комах проводили на фазі личинок, використовуючи відповідні посібники (Мамаев, 1972; Гусев, 1984; Ильинский, 1962 та ін.). Визначення паразитів зеленої дубової листовійки проводили в лабораторних умовах після їхніх виходів з лялечок хазяїна, користаючись визначальними таблицями з колективної монографії, присвяченої ентомофагам зеленої дубової листовійки і непарного шовкопряду (Зерова и др., 1989). Для одержання повної картини видового різноманіття угруповання комах використовували інформаційний індекс розмаїття К. Шеннона (Н) і індекс Э. Пієлу (Е).

Добір проб ґрунту, фітомаси, личинок комах, їхніх екскрементів і їхню підготовку здійснювали згідно з „Методическим указаниям по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства” (1989). Визначення вмісту важких металів (Zn, Cu, Pb, Cd) проводили атомно-абсорбційним методом у хімічній лабораторії Кримського відділення Українського державного геологорозвідувального інституту (м. Сімферополь). Для характеристики вибірковості поглинання і доступності хімічних елементів у ланцюзі ґрунт – рослини – комахи-фітофаги обчислювали рослинно-ґрунтовий коефіцієнт (РГК) як відношення вмісту елемента в рослині до вмісту його рухливих форм, що вилучаються ацетатно-амонійним буфером (рН 4,8) із ґрунту в перерахуванні на повітряно-суху масу, а також коефіцієнти біологічного поглинання (КБП) як відношення кількості хімічного елемента в золі рослини до його валової кількості у ґрунті та як відношення концентрації хімічного елемента в тканинах комах до його вмісту в листках кормової рослині.

Для оцінки акумуляції і міграції важких металів у ланцюзі рослина – комаха – її екскременти проводили дослідження, в яких вигодовували личинки комах кормом з підвищеною концентрацією важких металів. Для цього експериментальну групу личинок листогризучих комах годували листками, що попередньо обробляли розчинами, які готували з державних стандартних зразків (ГСО) чистих металів. Концентрація металів у розчині при експериментальному обробленні становила (мг/л): Pb – 0,5, Cd – 0,05, Zn – 10, Cu – 10 і Al – 5. Таке оброблення підвищувало вміст цих елементів у кормі майже вдвічі.

Оброблення модельних дерев суспензією препарату В. thurіngіensіs здійснювали ранцевим обприскувачем. При цьому одну половину крони кожного дерева обробляли (експеримент), а другу (необроблену) частину використовували як контроль. В експерименті застосовували три різних штами B. thurіngіensіs. Два з них (B3, B10) люб’язно надані нам завідувачем кафедри мікробіології і екології Дніпропетровського національного університету, професором А.І. Вінніковим і один (BG) – старшим науковим співробітником Південної дослідної станції інституту сільськогосподарської мікробіології УААН Л.Н. Кузнєцовою. Мікропатоген наносили на поверхню листків (розведення до 108 спор/мл). Витрата робочої рідини на половину крони дерева дуба (3 – 4 м заввишки) становила 1 – 1,5 л. Щільність личинок листогризучих комах (кількість особин на 100 точок росту) на кожному модельному дереві підраховували безпосередньо перед обробленням біопрепаратом, а потім повторно через сім днів після оброблення (окремо в досліді і контролі).

Для фракціонування множинних молекулярних форм ферментів і дослідження їхніх властивостей застосовували метод диск-електрофорезу з використанням як роздільного середовища поліакриламідного гелю із поділом у стандартній буферній системі Девіса–Орнстейна (Маурер, 1971). Після цього встановлювали належність особин листовійки до тих чи інших генотипних класів за локусами, що кодують карбоксилестеразу (Est-4) і неспецифічний протеїн (Pt).

Генетичний поліморфізм дерев дуба досліджували за допомогою RAPD-PCR-аналізу. Зразки ДНК виділяли, використовуючи 0,5 см2 свіжого листка дуба. Екстракцію тотальної ДНК здійснювали відповідно до стандартної методики (Sambrook et al., 1989). Для дослідження поліморфізму методом RAPD-PCR використовували праймер OPA-14 - TCTGTGCTGG (Operon Technologіes, USA). Як маркер використовували DNA-markers M 100 (ИЗОГЕН, Москва) з довжиною фрагментів 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 і 1000 пар нуклеотидів.

АКУМУЛЯЦІЯ ТА РОЗПОДІЛ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ЛАНЦЮЗІ: ҐРУНТ – ФІТОМАСА ДУБА ПУХНАСТОГО – ЛИСТОГРИЗУЧІ КОМАХИ

Дані про вміст рухливих форм цинку, міді, свинцю та кадмію в зіставленні з їхнім валовим вмістом у ґрунті під модельними деревами дуба пухнастого наведені на рис. 1.

Рис. 1. Усереднені дані вмісту цинку, міді, свинцю та кадмію у ґрунті під дубами

Згідно з висотою стовпчиків рис. 1 рухливі форми елементів мають значно нижчі концентрації порівняно з їхнім валовим вмістом. Особливо низькі значення (до двох порядків порівняно з валовим вмістом) мають концентрації рухливих форм, екстрагованих ацетатно-амонійним буфером, тобто тих, які найдоступніші для поглинання рослиною. Водночас ці рухливі форми металів, відображають рівень їхнього валового вмісту у ґрунті. Рухливі форми металів, які вилучаються зі зразків кислотною витяжкою, не корелюють з валовим вмістом елементів. Тому в наступних розрахунках використовували концентрацію рухливих форм, що розчиняються в ацетатно-амонійному буфері.

Концентрації зазначених вище металів у різних фракціях фітомаси дуба пухнастого наведено в табл. 1. Найзбагаченішою цими мікроелементами є кора, а найменше їх у деревині. Листки, якими харчуються комахи-філлофаги, відрізняються високим вмістом металів: більше їх виявлено тільки у корі.

Усереднені значення КБПр/г у цілому для всієї рослини становили: для цинку – 0,10, для міді – 0,12, для свинцю – 0,02 і для кадмію – 0,08. При цьому концентрацію металів у корі не враховували, тому що елементи, що містяться в цій фракції, вже виключені з фізіологічних процесів, які відбуваються в рослині. З цих даних випливає, що для дуба пухнастого мідь і цинк є елементами середнього, а свинець і кадмій – слабкого захоплення.

Таблиця 1

Вміст важких металів у різних фракціях фітомаси дуба пухнастого,
мг/кг повітряно-сухої маси

Фракції фітомаси дуба пухнастого | Мікроелементи | ZnCuPbCdЛистки (середнє за сезон)18,9±1,0 | 8,0±0,8 | 1,2±0,19 | 0,047±0,005 | Річні пагони (середнє за сезон)26,2±0,9 | 7,5±0,7 | 0,86±0,03 | 0,107±0,011 | Гілки дрібні | 5,7±0,2 | 3,7±0,2 | 0,47±0,02 | 0,042±0,002 | Гілки середні | 3,8±0,1 | 2,5±0,1 | 0,31±0,01 | 0,034±0,001 | Гілки великі | 1,5±0,1 | 2,0±0,1 | 0,20±0,01 | 0,023±0,001 | Кора | 18,3±0,7 | 10,3±0,4 | 8,41±0,32 | 0,690±0,028 | Деревина | 0,97±0,04 | 1,8±0,1 | 0,16±0,01 | 0,021±0,001 | Тонкі корені | 18,3±0,6 | 8,4±0,3 | 0,87±0,04 | 0,061±0,002 | Середні корені | 12,6±0,4 | 4,9±0,2 | 0,57±0,02 | 0,048±0,002 | Великі корені | 4,1±0,2 | 2,7±0,1 | 0,35±0,01 | 0,031±0,001 |

Ступінь доступності елементів у ґрунті для рослин і здатність їхніх окремих органів накопичувати мікроелементи оцінювали за допомогою рослинно-ґрунтового коефіцієнта (РГК). Дані, наведені в табл. 2, свідчать, що найбільше акумулювання міді і цинку спостерігається в корі, листках і річних пагонах. Свинець і кадмій накопичуються переважно у фракції кори. Таким чином, рослина максимально акумулює необхідні для неї елементи в органах з активним метаболізмом, а надлишок дуже токсичних елементів поступає до кори. Що стосується листків як джерела харчування комах-філлофагів, то слід особливо відзначити, що вони є активними акумуляторами міді та цинку і значно менше накопичують більш токсичні свинець і кадмій.

У листках і річних пагонах дуба пухнастого загалом спостерігається закономірне зниження концентрації важких металів від весни до осені. Найбільш різке зниження концентрації (понад 3 рази) відзначено в листках для свинцю: 2,15мг/кг – на початку і 0,69 мг/кг – наприкінці сезону вегетації.

Для всіх досліджуваних модельних дерев, незважаючи на те, що вони росли в подібних умовах, виявлено значну індивідуальну мінливість за накопиченням усіх важких металів у листках. При цьому вона особливо виражена для найтоксичніших елементів – свинцю і кадмію. Так, максимальні значення коефіцієнта варіації (V) для цих елементів становили 44,5 і 36,5% відповідно. Що стосується значення РПК для окремих деревах, то для них також виявлено істотну мінливість. Так, наприклад, для міді значення РГК були найбільшими і коливалися від 22,2 до 71,1. Найменші величини РГК характерні для кадмію, хоча діапазон їхнього коливання становив майже порядок (від 0,9 до 8,9). Ці дані дали можливість висунути гіпотезу стосовно ролі генетичного фактора, який обумовлює ці явища.

Таблиця 2

Значення рослинно-ґрунтового коефіцієнта для важких металів

Фракції фітомаси дубу пухнастого | РГК | CuZn | PbCdЛистки (середнє за сезон)42,1 | 17,8 | 7,1 | 2,4 | Річні пагони (середнє за сезон)39,5 | 24,7 | 5,1 | 5,4 | Гілки дрібні | 19,5 | 5,4 | 2,8 | 2,1 | Гілки середні | 13,2 | 3,6 | 1,8 | 1,7 | Гілки великі | 10,5 | 1,4 | 1,2 | 1,2 | Кора | 54,2 | 17,3 | 49,5 | 34,5 | Деревина | 9,5 | 0,9 | 0,9 | 1,1 | Тонкі корені | 44,2 | 17,3 | 5,1 | 3,1 | Середні корені | 25,8 | 11,9 | 3,4 | 2,4 | Великі корені | 14,2 | 3,9 | 2,1 | 1,6 |

Личинки комах при харчуванні листям інтенсивно акумулюють важкі метали у своїх тканинах. У личинках як зеленої дубової листовійки, так і непарного шовкопряда найактивніше акумулюється цинк: його вміст у цих комах перевищує такий у листках у 3,3 – 5,9 раза. Менш інтенсивно накопичується свинець, кадмій та алюміній. Концентрацію міді досліджені комахи підтримують на постійному рівні. Що стосується екскрементів комах, то в них вміст важких металів у цілому відповідає їхньому вмістові в кормі. При штучному підвищенні концентрації важких металів у кормових листках їх концентрація підвищується і в екскрементах. Це свідчить про наявність у листогризучих комах механізмів, що забезпечують видалення їхнього надлишку.

ВПЛИВ ФЕНОЛОГІЇ ОКРЕМИХ ДЕРЕВ, ВМІСТУ В ЇХНІХ ЛИСТКАХ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ, ЕНТОМОПАТОГЕННОЇ БАКТЕРІЇ B. THURINGIENSIS НА ВИДОВИЙ СКЛАД МІКРОУГРУПОВАННЯ ЛИСТОГРИЗУЧИХ КОМАХ

Весняно-літній комплекс листогризучих комах в індивідуальних консорціях дуба пухнастого включає 13 видів з домінуванням за чисельністю зеленої дубової листовійки (Tortrіx vіrіdana L.), участь якої в мікроугрупованні дерева становило від 42,7 до 66,7%. До домінантної групи належить також совка рання жовто-бура (Orthosіa cerasі Fab.), чиї личинки зустрічалися на всіх деревах і частка участі якої становила від 3,3 до 23,1%. До субдомінантної групи нележать види з досить високою щільністю, які, однак, зустрічалися не на всіх деревах: кутастий п’ядун південний (Ennomos quercarіa Hb.), зимовий п’ядун (Operophthera brumata L.) і червонясто-сірий дубовий коконопряд (Erіogaster rіmіcola Hb.). Третю групу становлять види, що зустрічалися більш ніж на половині дерев, але мали невисоку щільність: непарний шовкопряд (Lymantrіa dіspar L.), совка рання буро-сіра (Orthosіa gothіca L.), грабова вогнівка (Agrotera nemoralіs Sc.), чубатий п’ядун (Colotoіs pennarіa L.). Чотири види, що залишилися: дубова палева листовійка (Tortrіx loeflіngіana L.), золотогуз (Euproctіs chrysorrhoea L.), п’ядун-обдирало (Erannіs defolіarіa L.), дубова хвістатка (Thecla іlіcіs Esp.), зустрічалися менш ніж у половині розглянутих мікроугруповань і, як правило, мали дуже низьку щільність.

Порівняння отриманих індексів Шеннона (Н) показало, що окремі дерева дуба дуже сильно відрізняються за цим показником. Крайні значення індексу відрізняються майже вдвічі – від 1,268 до 2,441. Значною мірою величина індексу Шеннона, як і очікувалося, залежить від кількості видів у мікроугрупованні. Так мінімальне значення індексу (1,268) притаманно мікроугрупованню з найменшою кількістю видів (4). Зі збільшенням їхньої кількості підвищується і значення індексу різноманітності. Однак у деяких випадках ця закономірність порушується через високу щільність якогось одного виду. Так висока щільність зеленої дубової листовійки на деяких деревах спричинює помітне зниження значення індексу Шеннона.

Аналіз мікроугруповань на окремих деревах показав певну закономірність зміни їхнього складу залежно від фенології дерева. Так, для групи дерев, що характеризуються раннім початком вегетації, характерна відсутність совки ранньої буро-сірої, зимового п’ядуна і грабової вогнівки. Цим деревам загалом властива наявність незначної кількості видів (4 – 7) і найнижчі індекси різноманіття (від 1,268 до 2,020). На деревах з пізнім початком вегетації був відсутній кутастий п’ядун південний і спостерігалася дуже низька щільність совки ранньої жовто-бурої.

Спільний аналіз даних вмісту мікроелементів (цинку, міді, свинцю та кадмію) у листках дуба і щільності личинок тринадцяти видів комах фітофагів показав наявність низки достовірних кореляційних зв’язків (табл. 3).

Так, щільність личинок зеленої дубової листовійки на дереві негативно зв'язана із вмістом міді. Аналогічну закономірність у зменшенні щільності личинок і зростанням вмісту цього мікроелементу виявлено у совки ранньої буро-сірої і зимового п’ядуна. За цинком достовірні кореляційні зв'язки були встановлені для совки ранньої жовто-бурої, совки ранньої буро-сірої і зимового п’ядуна. Однак, якщо для першого виду характерний позитивний кореляційний зв’язок, то для двох інших він характеризується зворотним напрямком. Що стосується свинцю, то, як виявилося, його вміст корелює зі щільністю найбільшої кількості видів. Чутливість до вмісту цього елемента виявлено для чотирьох видів листогризучих комах, що входять до складу мікроугруповання. При цьому негативна достовірна кореляція була відзначена тільки для щільності личинок грабової вогнівки. Разом з тим, щільність личинок совки ранньої жовто-бурої, чубатого п’ядуна і кутастого п’ядуна південного, навпаки, зростає зі збільшенням вмісту елементу у листках. Для личинок кутастого п’ядуна південного, совки ранньої жовто-бурої і чубатого п’ядуна характерна достовірна позитивна кореляція зі вмістом у листках кадмію.

Таблиця 3

Значення коефіцієнтів кореляції між щільністю видів у мікроугрупованнях індивідуальних консорцій дуба і вмістом важких металів у листках у період їхнього активного споживання комахами

Мікроелемент

Вид фітофага | Cu | Zn | Pb | Cd | Cu+Zn

Зелена дубова листовійка-0,56* | -0,16 | -0,03 | -0,06 | -0,37 | Непарний шовкопряд-0,12 | 0,03 | -0,06 | -0,07 | -0,04 | Совка рання жовто-бура0,07 | 0,56* | 0,57* | 0,57* | 0,38 | Совка рання буро-сіра | -0,65* | -0,55* | -0,14 | -0,09 | -0,65* | Червонясто-сірий дубовий коконопряд | 0,12 | -0,14 | 0,17 | -0,01 | -0,03 | Грабова вогнівка | -0,14 | -0,28 | -0,58* | -0,38 | -0,24 | Зимовий п’ядун | -0,61* | -0,76** | 0,18 | -0,02 | -0,76** | П’ядун-обдирало | 0,13 | 0,03 | -0,18 | -0,24 | 0,08 | Чубатий п’ядун | -0,13 | 0,10 | 0,61* | 0,65* | 0,00 | Кутастий п’ядун південний0,02 | 0,29 | 0,74** | 0,90** | 0,19 | Дубова палева листовійка-0,03 | 0,20 | -0,35 | -0,13 | 0,11 | Золотогуз | 0,09 | 0,11 | -0,02 | -0,32 | 0,11 | Дубова хвістатка | 0,13 | -0,17 | -0,11 | -0,24 | -0,05 | Примітка: достовірні кореляційні зв’язки виділені жирним шрифтом

* P<0,05; ** P<0,01.

Таким чином, із тринадцяти видів комах для семи встановлені достовірні кореляційні зв'язки між щільністю личинок і вмістом цинку, міді, свинцю та кадмію в листках. Виявлені зв’язки дають змогу припустити здатність окремих видів комах-фітофагів до вибіркової акумуляції хімічних елементів, що надходять з листків кормових рослин.

Застосування бактеріального препарату на основі бактерій групи B. thurіngіensіs призвело не тільки до зниження щільності видів і їхньої кількості, але й до збільшення різноманітності в досліджуваних мікроугрупованнях. Про це переконливо свідчать значення індексів Шеннона (Н): для угруповань в обробленій частині дерева значення цього показника коливаються від 1,437 до 2,792, а в необробленій частині дерева – від 1,203 до 2,343. Аналогічним чином змінюються і значення індексу Пієлу (Е). Отже, пригнічення домінувального виду шляхом використання ентомопатогенної бактерії зумовило вирівнювання чисельності видів у мікроугрупованні і підвищило різноманіття комах.

ВМІСТ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ЛИСТКАХ І СКЛАД МІКРОУГРУПОВАННЯ КОМАХ-ФІТОФАГІВ В ІНДИВІДУАЛЬНИХ КОНСОРЦІЯХ ДУБІВ, ЩО ВІДМІННІ ЗА ДЕЯКИМИ ДНК-МАРКЕРАМИ

Як відомо, детермінантом чи ядром індивідуальної консорції є окрема особина, що характеризується різними показниками, у тому числі й генетичними. У попередніх розділах було показано, що окремі дерева дуба досить істотно відрізняються за вмістом тих або інших важких металів, а також існує зв’язок між вмістом мікроелементів у листках дуба і складом мікропопуляцій комах. Усе це дало можливість сформулювати робочу гіпотезу щодо впливу на ці показники генотипу ядра консорції.

Застосування ДНК-аналізу при дослідженні 18 модельних дерев дуба пухнастого з використанням стандартного праймера ОРА-14 дозволило одержати в сукупності набір з 11 RAPD-маркерів, який досить добре відображує специфіку кожного дерева дуба (рис. 2). Загалом, індивідуальні спектри апліфікованих фрагментів ДНК окремих дерев містили від чотирьох до десяти RAPD-маркерів.

З одинадцяти генетичних маркерів чотири були пов’язані із вмістом деяких важких металів. Так, залежно від наявності або відсутності кожного з чотирьох генетичних маркерів, спостерігалися розбіжності за вмістом в листках дерев цинку, міді і кадмію, тоді як за вмістом свинцю їх не виявлено. Дерева дуба, що містять у спектрі ампліфікованих фрагментів ДНК фракцію завдовжки близько 400 п.н., накопичують у листках більше цинку і міді, ніж ті дерева, які не містять цієї фракції. Для фракції близько 350 п.н. установлено достовірні розбіжності стосовно вмісту кадмію. В деяких випадках виявлено вплив цих генетичних характеристик не стільки на вміст мікроелементів, скільки на ступінь варіювання його в межах дослідженої групи дерев. З мінливістю вмісту міді в листі пов’язана наявність маркера близько 400 п.н., цинку – близько 400 і 210 п.н., кадмію – близько 400, 350, 210 та 110 п.н.

Як і для мікроелементів, установлено також наявність певних зв’язків між генетичними особливостями дерев і складом мікроугруповань комах-фітофагів, що зустрічалися на цих деревах. Дерева дуба, які містять у спектрі ампліфікованих фрагментів ДНК фракції завдовжки близько 250, 210 і 110 п.н. характеризувалися достовірно меншою щільністю личинок зеленої дубової листовійки. Крім того, на деревах із фракцією 110 п.н. майже вдвічі нижчою була і щільність непарного шовкопряда. Виявилися також достовірні розбіжності, стосовно показників мінливості щільності комах-фітофагів. Так, фракція 350 п.н. маркірує високий рівень мінливості щільності непарного шовкопряда на відповідних модельних деревах. Аналогічно фракція 210 п.н. маркірує високу мінливість щільності зимового п’ядуна, і меншу мінливість щільності вогнівки.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 М

10 11 12 13 14 15 16 17 18 М

Рис. 2. Электрофореграма продуктів ампліфікації ДНК дерев дуба пухнастого (номера 1 – 18) із праймером OPA-14: М – маркери молекулярної маси ДНК від 100 до 1000 п.н. (із кроком у 100 п.н.); а, b, c, d, e – найінформативніші маркери завдовжки близько 110, 210, 250, 350 і 400 п.н.

ВПЛИВ ДЕЯКИХ ЕКОЛОГІЧНИХ І ГЕНЕТИЧНИХ ФАКТОРІВ НА МІКРОПОПУЛЯЦІЇ ЗЕЛЕНОЇ ДУБОВОЇ ЛИСТОВІЙКИ В ІНДИВІДУАЛЬНИХ КОНСОРЦІЯХ ДУБА ПУХНАСТОГО

Застосування трьох різних штамів B. thurіngіensіs (BG, B3, B10) проти зеленої дубової листовійки в індивідуальних консорціях дуба в сублетальних дозах дає змогу визначити зниження щільності її личинок за період, що пройшов з моменту оброблення і до наступного обліку. При цьому в досліді спостерігалося значно істотніше зниження щільності, ніж у контролі. Так, щільність личинок у контролі перевищувала аналогічний показник у досліді – в середньому в 1,7, 2,3 і 2,9 раза для штамів BG, B-3 і B-10 відповідно. Загалом, залежно від модельного дерева і застосованого штаму B. thurіngіensіs, смертність зеленої дубової листовійки коливалася в межах від 36 до 74%. Подальша оцінка ефекту післядії мікробіологічного агента на фазі лялечки та у період виходу імаго показала, що оброблення суспензією бактерії B. thurіngіensіs у природній популяції зеленої дубової листовійки на фазі личинки не позначилася на виживанні комах на фазі лялечки, а призвела тільки до зниження частки особин, що загинули від паразитів (але лише у самців). Негативну кореляцію між смертністю від невстановлених причин і смертністю від лялечкових паразитів у самців можна інтерпретувати як свідчення конкурентної взаємодії між паразитами, з одного боку, і мікропатогеном B.іngіensіs – з іншого. При цьому, зустрічальність спеціалізованого паразита Ph. іnvіsor істотно варіювала в різних індивідуальних консорціях, на відміну від неспеціалізованих паразитів, які майже в рівних частках були присутні в досліджених консорціях.

Внесок фактора індивідуальності кормової рослини в загальну мінливість таких адаптивно важливих ознак зеленої дубової листовійки як ширина лялечки, довжина тіла імаго і потенційна льотоздібність коливалася від 21 до 38 % у самців, і від 19 до 25 % – у самиць. Близько 12 % варіабельності самців і 13 % варіабельності самиць листовійки за зазначеними кількісними ознаками може бути обумовлено внеском генетичної мінливості комахи за локусами неспецифічного протеїну (Pt) і карбоксилестерази (Est-4). При цьому внесок взаємодії факторів індивідуальності кормової рослини і генотипу зеленої дубової листовійки в мінливість пристосовно важливих ознак становить 22% у самців і 42 у самиць. Це означає, що ці чинники є одними з найважливіших у формуванні мікропопуляцій листовійки в індивідуальних консорціях дуба пухнастого. Що стосується паразитоїдів, той їхній вплив на структуру мікропопуляцій зеленої дубової листовійки залежить від індивідуальних особливостей кормової рослини. Такий достовірний вплив індивідуальності дерева позначається на виборі личинок листовійки різного розміру паразитом І. maculator.

ВИСНОВКИ

1. В індивідуальних консорціях дуба пухнастого спостерігається спряженість між процесами міграції важких металів із ґрунту в листки і надалі в тканини листогризучих комах та генетичних процесів, що обумовлені генотипом їхніх детермінантів. Вміст важких металів, як і склад мікроугруповань листогризучих комах, також відмінні в індивідуальних консорціях дубів, що мають різні фрагменти ДНК.

2. У листках окремих дерев дуба пухнастого вміст міді коливається в межах 4,4 – 17,8, цинку – 9,1 – 31,7, свинцю – 0,16 – 2,15, кадмію – 0,012 – 0,212, мг/кг повітряно-сухої маси. Їхні максимальні значення встановлені навесні, а мінімальні – восени.

3. Концентрації важких металів у листках дуба пухнастого прямо залежать від вмісту у ґрунті їхніх рухливих форм, вилучених ацетатно-амонійним буферним розчином. Усереднені значення рослинно-ґрунтового коефіцієнта в системі ґрунт – листки становлять для міді 42,1, цинку – 17,8, свинцю – 7,1, кадмію – 2,4 .

4. Окремі дерева дуба пухнастого, що ростуть у подібних умовах, характеризуються різними значеннями рослинно-ґрунтового коефіцієнта, які демонструють надходження важких металів із ґрунту до листків. Значення цього коефіцієнта залежать від стадій розвитку листків. Найбільший інтервал цих значень, як і найбільші значення коефіцієнта варіації, установлені для свинцю і кадмію.

5. Листогризучі комахи весняно-літнього комплексу концентрують у собі свинець, кадмій, мідь і, особливо, цинк, що надходять з кормового листя. Процес акумуляції не залежить від їхньої харчової спеціалізації. Як для личинок зеленої дубової листовійки (вузького олігофага), так і для личинок непарного шовкопряда (поліфага) установлені дуже близькі значення коефіцієнтів біологічного поглинання досліджуваних мікроелементів. Вміст свинцю, кадмію, цинку й алюмінію в їхніх тканинах зростає пропорційно вмісту таких у кормі. Вміст міді зберігається на постійному рівні незалежно від його рівня в листяному кормі. В екскрементах личинок цих видів вміст зазначених мікроелементів здебільшого близький до вмісту їх у кормі.

6. Весняно-літній комплекс листогризучих комах в індивідуальних консорціях дуба пухнастого включає 13 видів з домінуванням за чисельністю зеленої дубової листовійки. Менш часто зустрічаються: совка рання жовто-бура, кутастий п'ядун південний, зимовий п'ядун і червонясто-сірий дубовий коконопряд, рідко – дубова палева листовійка, золотогуз, п'ядун-обдирало і дубова хвістатка. У межах індивідуальних консорцій формуються специфічні набори консортів-листогризів, при цьому індекси різноманіття Шеннона і Пієлу коливаються в межах 1,263 –2,441 і 0,343 – 0,660 відповідно.

7. Склад мікроугруповання комах-фітофагів і його розмаїття достовірно розрізняється на деревах із ранньою, середньою і пізньою вегетацією. Щільність 7 видів комах-фітофагів із 13 достовірно корелює із вмістом важких металів у листках.

8. Оброблення листків у межах