https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/30-years-discovery-russia-promo.html?cid=PJT4417-WE42944-Biomolecula-Russia-30yearsinRussiaBanner-November
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Жук — повелитель фотосинтеза

Жук — повелитель фотосинтеза

  • 303
  • 0,3
  • 4
  • 0
Добавить в избранное printer
Обзор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Жук — повелитель фотосинтеза! Как же это возможно? В этой статье я расскажу о своих исследованиях жука долгоносика рода Smicronyx, который смог заставить растение-паразита с неработающим фотосинтетическим аппаратом вновь этот аппарат запустить. В конце статьи вас ждет сказка на основе реальных событий «Теремок — Золотой Стебелек», из которой вы узнаете, зачем жуку это было нужно и кто всем этим в конце-концов воспользовался.

Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «био/мол/текст»-2019.


Центр наук о жизни Сколтеха

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.


Некоммерческая школа «Летово»

Партнер номинации — Некоммерческая школа «Летово».


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


BioVitrum

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Повилика — род паразитических растений, которые внедряют своеобразные присоски (гаустории) в ткань растения-хозяина и питаются его соками. У повилики нет корней и листьев, а некоторые виды полностью потеряли способность к фотосинтезу, поэтому имеют желто-оранжевую окраску. При заражении повиликой культурных растений снижается их урожай, а скошенные на сено травы с повиликой вызывают заболевания животных. С повиликой трудно бороться, так как ее семена сохраняют всхожесть в почве в течение 8–10 лет, и основной способ борьбы с ней на сегодняшний день — уничтожение растений, зараженных повиликой.

Но есть насекомые, которые используют повилику в качестве кормового растения. Жуки долгоносики рода Smicronyx формируют галлы на стеблях повилики и развиваются в них. Галл считается патологической опухолью на растении [1]. Поэтому очень часто этих долгоносиков указывают как естественных врагов повилики и предлагают в качестве агентов для биологического контроля численности растения [2–4]. Однако такие попытки снижения численности повилики пока остаются безуспешными. В чем же дело?

В течение нескольких лет в поселке Юбилейный города Саратова на обширной территории я наблюдал, как повилика, «зараженная» жуком долгоносиком, отлично развивается, образуя сплошной оранжевый ковер.

Галлы на стеблях повилики

Рисунок 1. Галлы на стеблях повилики выделяются зеленой окраской

фото автора статьи

Однажды я заметил, что галлы на оранжевых стеблях повилики имеют зеленый цвет! А это может свидетельствовать о наличии хлорофилла и повышенной фотосинтетической активности в тканях галла, индуцируемой личинками долгоносика, развивающимися внутри галла. А это, в свою очередь, может являться «бонусом» для самого растения.

Действительно, в литературе можно найти данные по повышенному содержанию хлорофилла внутри галла долгоносика рода Smicronyx по сравнению со стеблями повилики, не зараженной долгоносиком [5–7]. Но наличие хлорофилла — не всегда показатель эффективности фотосинтеза.

Тогда совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ мы измерили параметры флуоресценции хлорофилла фотосистемы II в галлах и стеблях повилики на приборе «МЕГА-25», разработанном на кафедре биофизики [8].

Прибор для измерения КПД фотосинтеза

Рисунок 2. Прибор для измерения КПД фотосинтеза разработан на кафедре биофизики МГУ им. М.В.Ломоносова

Фотосистема II — это первый функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов.

Упрощенный принцип работы прибора

Рисунок 3. Упрощенный принцип работы прибора

Наши исследования показали, что и галлы, и прилегающие к ним стебли обладают фотосинтетической активностью, но в галлах активность выше [9].

Кривая индукции флуоресценции галла

Рисунок 4. Кривая индукции флуоресценции галла

Доказательство того, что повилика с галлами имеет высокую фотосинтетическую активность, конечно, имело огромное значение в этом открытии. Но как узнать, чья это «заслуга»? Моя первая гипотеза заключалась в том, что усиление фотосинтеза зависит именно от жизнедеятельности личинки долгоносика, находящейся в галле. Но как это проверить? Это был трудный вопрос, и только счастливая находка помогла мне в разгадке. Я заметил, что на повилике, конечно, много зеленых галлов, но встречаются и желтые. Вскрыв несколько желтых галлов, я обнаружил, что личинка долгоносика заражена паразитом — насекомым рода Bracon. Этот паразит долгоносика парализует личинку жука, чтобы отложить на нее яйцо [10].

Вскрытие галлов 2016

Рисунок 5. Вскрытие галлов автором статьи в домашней лаборатории (2016 г.)

Вскрытие галлов 2019

Рисунок 6. Время идет, а ничего не меняется... (2019 г.)

При парализации личинка долгоносика перестает питаться и испражняться. Затем происходит следующее: при полном сохранении формы галла, его наружная поверхность постепенно становится желтой или оранжевой, внутренняя поверхность галла уплотняется, темнеет, теряет яркость, а ткани тускнеют и приобретают более желтую окраску, что может свидетельствовать о разрушении хлорофилла и приводить к снижению фотосинтетической активности. Измерения параметров флуоресценции хлорофилла в таком галле показало уменьшение эффективности фотосинтеза на 20%. Полученные данные могут означать, что необходимым условием для формирования и поддержания зеленой и сочной структуры галла и проявления фотосинтетической активности является именно жизнедеятельность личинки долгоносика.

Галлы со здоровыми личинками

Рисунок 7. Галлы со здоровыми личинками долгоносика зеленого цвета и снаружи, и внутри подпись

здесь и далее фото под бинокулярным микроскопом сделаны автором статьи

Галлы с парализованными личинками

Рисунок 8. Галлы с парализованными личинками. Хорошо заметно изменение цвета и структуры тканей галла снаружи и внутри.

И это только один из примеров того, что именно личинка жука влияет на фотосинтез у повилики. Со временем я обнаружил, что любой паразит или хищник, погубивший личинку внутри галла, вызывает такой эффект. И даже сама личинка долгоносика. Сама личинка? Да, когда личинка становится большой, то есть личинкой последнего возраста, она готовится окуклиться, чтобы затем превратиться во взрослую особь (имаго). Такая личинка прогрызает маленькую дырочку в своем галле и выходит наружу [10]. После того, как личинка покинула галл, он постепенно желтеет и вянет.

Личинка перед окукливанием выходит наружу

Рисунок 9. Личинка перед окукливанием прогрызает округлое отверстие изнутри галла и выходит наружу. После этого постепенно галл желтеет.

После неоднократных обсуждений этой работы на конференциях учеными-коллегами были высказаны другие гипотезы о происхождении фотосинтеза в галле. Например, предположили наличие в галле водорослей, но мы их не обнаружили. Была также гипотеза, что в галле поселяются особые бактерии, которые могут фотосинтезировать. Мы проверили ее на базе биологического факультета СГУ, и с помощью микробиологических методов узнали, что бактерии и в желтом, и в зеленом галле оказались одинаковыми [11]. Похоже, что бактерии здесь также ни при чем. Моя личная же гипотеза, сформированная по собственным многочисленным наблюдениям за бинокулярным микроскопом, состоит в том, что личинка жука выделяет особые вещества, влияющие на рост галла и на фотосинтез, причем не из слюны, как принято считать в настоящее время в теории галлогенеза, а из анального отверстия. Но это пока гипотеза, которую я обязательно проверю.

Пока растут бактерии

Рисунок 10. Пока растут бактерии, можно и вздремнуть...

А теперь — сказка, основанная на реальных событиях! В ней я расскажу, зачем жуку все это было нужно, и кто всем этим в конце-концов воспользовался.

Теремок — Золотой Стебелек

Бежал Долгоносик — Длинный Носик среди сплошной зелени. И вдруг наткнулся на высокий повиликовый Теремок — Золотой Стебелек. И так Теремок — Золотой Стебелек его поразил, что решил Долгоносик в нем поселиться.

Долгоносик

Рисунок 11. Тук-тук, кто в Теремочке живет?

Долгоносики на повилике

Рисунок 12. Долгоносики на повилике

Постучал жучок своим длинным носиком:

— Тук, тук, кто в Теремочке живет, кто в золотом живет?

Никто не ответил жуку. Просверлил он дверку-дырочку внутрь своим длинным носиком и стал там жить-поживать, да добра наживать.

И нажил Долгоносик большой-пребольшой Терем-галл, сочный такой и, вот чудо, превратился Теремок — Золотой Стебелек из золотого в зеленый со всех сторон. Сама личинка в центре живет, в уютной комнатке, и ни о чем не беспокоится, повилика ее любит.

Видео 1. Жуки-долгоносики (имаго) Smicronyx smreczynskii (Coleoptera, Curculionidae) в чашке Петри могут жить два месяца, если их кормить и поить

видео автора статьи

Летела мимо Муха-Попрыгуха в поисках большого зеленого листа. Муха та была непростая. Она была муха-минер. А минеры очень любят сочные и жирные листочки. Наткнулась Муха на такой галл и обомлела: «Вот это лист, никогда такого раньше не видала, прямо Терем!»

Села Муха на галл, ручки потирает, но боится заходить, решила культурно постучать:

— Кто-кто в Теремочке живет, кто в зеленом живет?

Кто в Теремочке живет?

Рисунок 14. Кто в Теремочке живет?

Муха-минер

Рисунок 15. Муха-минер

Слышит, изнутри ей отвечают:

— Я, Долгоносик — Длинный Носик, а ты кто?

— А я Муха-Попрыгуха. Пусти меня к себе жить.

— Ладно, заходи, но только у стеночки живи, в мою комнатку не забирайся.

Стали они жить поживать, добра наживать вдвоем.

Летела Оска-Присоска, врезалась в галл, удивилась, какой он большой и зеленый, прямо Терем!

Оска-Присоска

Рисунок 17. Я Оска-Присоска!

Размер паразитических осок в повилике

Рисунок 18. Размер паразитических осок в повилике от 0,5 мм до 1,5 мм

Стучится:

— Кто-кто в Теремочке живет, кто-кто в зеленом живет?

— Я, Муха-Попрыгуха.

— Я, Долгоносик — Длинный Носик, а ты кто?

— Я, Оска-Присоска. Пустите меня к себе жить.

— А зачем ты нам нужна?

— Я вас буду защищать от злых паразитов!

— Да как же ты сможешь, ты вон какая малюсенькая!

— А вы пустите, сами и увидите.

— Ну ладно, заходи.

Стали они втроем жить-поживать.

Долгоносик — Длинный Носик в центре живет, Муха-Попрыгуха у стеночки ходит, а Оска-Присоска ждет своего часа, когда нужно дом защищать, прямо как собачка.

А ведь недолго ждать пришлось. Легли они как-то спать. Слышат, скребется кто-то страшным таким скрежетом. Испугались Муха и Долгоносик, а Оска-Присоска им говорит:

— Вот и настал мой час!

Оказалось, большой и вредный Клопик-Злобик отложил яйцо внутрь галла, чтобы его детеныш съел всех, когда вылупится.

Клопик-Злобик отложил яйцо

Рисунок 20. Клопик-Злобик отложил яйцо

Клоп семейства Orius

Рисунок 21. Клоп семейства Orius готовится напасть на личинку долгоносика

Почуяла Оска-Присоска чужака, всю ночь и весь день к нему пробиралась, устала, проголодалась, нашла, наконец, паразита, присосалась к яйцу и высосала его полностью.

Обрадовались все! И стали дальше жить-поживать, добра наживать.

И вот прознал про зеленый Терем-галл на золотом повиликовом стебельке заморский Бракон-Дракон.

Bracon praestans

Рисунок 24. Пустите меня к себе жить!

Bracon praestans

Рисунок 25. Bracon praestans, у самки длинный яйцеклад

Видео 4. Bracon praestans своим яйцекладом терпеливо прокалывает каждый галл в поисках внутри него своей жертвы — личинки долгоносика. Этот процесс длительный, ведь у самки нет права на ошибку!

видео автора статьи

Прилетел Бракон-Дракон на своих четырех крылах к Терему и стучится.

— Кто-кто в Теремочке живет? Кто-кто в зеленом живет?

Отвечают ему все соседи по очереди:

— Я, Оска-Присоска!

«Хм, — думает Бракон-Дракон, — мелковата будет...»

— Я, Муха-Попрыгуха!

«Хм, — думает Бракон-Дракон, — больно шустрая — убежит, упрыгает...»

— Я, Долгоносик — Длинный Носик!

«О! То, что нужно: и большой, и не убежит! Его и съем!»

И жалобно так просится:

— Пустите меня к себе жить.

Потеряли наши герои за время добрососедства бдительность свою, и отвечают все хором:

— Заходи!

Зашел Бракон-Дракон в самый центр галла-Теремка, прямо внутрь к Долгоносику — Длинному Носику, и съел его.

На глазах стал разрушаться Терем-теремок! Пожелтел весь и сморщился! Чудом Муха-Попрыгуха и Оска-Присоска живы остались, был у них на случай чрезвычайной ситуации план — окуклиться, а так бы и они погибли.

Вот и Теремку, и Долгоносику, и сказке конец!

Подождите, а ведь не конец же! Трое из пятерых-то выжили: Муха-Попрыгуха, Оска-Присоска и Бракон-Дракон! Найдут они себе новые зеленые теремки — вон, сколько долгоносиков бегает, вон, сколько золотой повилики на Земле растет!

Заросли повилики

Рисунок 26. Заросли повилики в пос. Юбилейном г. Саратова. Штрихом обозначена общая площадь заражения сорняком, красный маленький квадрат — повилика на фото.

Мораль сказки ясна: не теряйте бдительность, дорогие долгоносики! Ну а нам, людям-то, какой прок от исследования? Если хорошо подумать, то, может быть, и для нас польза будет. Возможно, наши исследования позволят разработать лучшие методы выращивания растений и повысить их фотосинтетическую активность с использованием малюсеньких насекомых.

Благодарности

Выражаю глубокую благодарность: профессору кафедры морфологии и экологии животных д.б.н. В.В. Аникину и доценту кафедры микробиологии и физиологии растений биологического факультета СГУ к.б.н. Е.В. Глинской за всестороннюю помощь в проведении исследований; ведущему научному сотруднику МГУ (биологический факультет, Ботанический сад) д.б.н. В.Е. Гохману; научному сотруднику ЗИН РАН к.б.н. К.Г. Самарцеву; ведущему сотруднику ЗИН РАН д.б.н. Б.А. Коротяеву; сотруднику отделения двукрылых лаборатории систематики насекомых ЗИН РАН Э.П. Нарчук; заведующему кафедрой энтомологии МГУ д.б.н. А.А. Полилову за помощь в определении насекомых; ассистенту кафедры ботаники и экологии биологического факультета СГУ к.б.н. М.В. Лаврентьеву за помощь в определении растения; сотрудникам кафедры биофизики биологического факультета МГУ Э.И. Никельшпарг и И.В. Конюхову за помощь в измерении параметров флуоресценции хлорофилла в галлах; а также младшему брату Даниилу за рисунки насекомых.

Литература

  1. Аникин В.В. и Степанов С.А. (2001). Насекомые-галлобразователи Нижнего Поволжья и галлогенез растений. «Самарская Лука». 11, 262–271;
  2. Тюребаев С.С. (1977). Использование повиликового галлового долгоносика в биологической борьбе с повиликой полевой. «Вестник с.-х. науки Казахстана». 3, 116–117;
  3. G. M. Baloch. (1968). Possibilities for Biological Control of some Species ofCuscuta(Convolvulaceae). International Journal of Pest Management: Part C. 14, 27-33;
  4. E. V. Aistova, V. G. Bezborodov. (2017). Weevils belonging to the Genus Smicronyx Schönherr, 1843 (Coleoptera, Curculionidae) affecting dodders (Cuscuta Linnaeus, 1753) in the Russian Far East. Russ J Biol Invasions. 8, 184-188;
  5. T. A. W. van der Kooij, K. Krause, I. Dörr, K. Krupinska. (2000). Molecular, functional and ultrastructural characterisation of plastids from six species of the parasitic flowering plant genus Cuscuta. Planta. 210, 701-707;
  6. Giannino Laudi. (1968). Ultrastructural Researches on the Plastids of Parasitic Plants. IV. Galls ofCuscuta Australis. Giornale botanico italiano. 102, 1-19;
  7. Gailhofer M. and Thaler I. (1974). Piastidenstrukturen einer Smicronyx-Galle auf Cuscuta campestris. Python (Austria). 16, 57–64;
  8. Погосян С.И., Казамирко Ю.В., Гальчук С.В., Конюхов И.В., Рубин А.Б. (2009). Применение флуориметра «МЕГА-25» для определения количества фитопланктона и оценки состояния его фотосинтетического аппарата. «Вода химия и экология». 6, 34–40;
  9. Аникин В.В., Никельшпарг М.И., Никельшпарг Э.И., Конюхов И.В. (2017). Фотосинтетическая активность у повилики Cuscuta campestris (Convolvulaceae) при заселении растения галлообразователем-долгоносиком Smicronyx smreczynskii (Coleoptera, Curculionidae). «Известия Саратовского университета», серия «Химия. Биология. Экология». 1, 42–47;
  10. Аникин В.В., Никельшпарг М.И., Лаврентьев М.В. (2017). Состав насекомых в галле долгоносика Smicronyx smreczynskii (Coleoptera, Curculionidae) на повилике полевой Cuscuta campestris (Cuscutaceae). «Бюл. ботанического сада Саратовского государственного университета». 2, 20–26;
  11. Никельшпарг М.И., Глинская Е.В., Аникин В.В. (2019). Видовой состав бактерий галлов, образуемых на повилике жуком-долгоносиком Smicronyx smreczynskii. «Энтомологические и паразитологические исследования в Поволжье». 16, 87–90;
  12. Никельшпарг М.И. и Аникин В.В. (2019). Личинки мух рода Hexomyza enderlein, 1936 (Diptera, Agromyzidae) — инквилины в галлах долгоносика Smicronyx smreczynskii (Coleoptera, Curculionidae). «Энтомологические и паразитологические исследования в Поволжье». 16;
  13. Никельшпарг М.И. и Аникин В.В. (2018). Особенности питания клопа-охотника Nabis pseudoferus (Heteroptera: Nabidae) личинками галлообразователя жука-долгоносика Smicronyx smreczynskii (Coleoptera: Curculionidae). «Труды Казанского отделения Русского энтомологического общества». 5, 37–40.

Комментарии