Репродуктивное поведение, полиморфизм и хемокоммуникация как факторы поддержания разнообразия в семействе листоверток (Lepidoptera: Tortricidae)

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук

РЕПРОДУКТИВНОЕ ПОВЕДЕНИЕ, ПОЛИМОРФИЗМ И ХЕМОКОММУНИКАЦИЯ КАК ФАКТОРЫ ПОДДЕРЖАНИЯ РАЗНООБРАЗИЯ В СЕМЕЙСТВЕ ЛИСТОВЕРТОК

(LEPIDOPTERA: TORTRICIDAE)

03.00.09 - энтомология

САФОНКИН АНДРЕЙ ФЕЛИКСОВИЧ

Москва 2008

Работа выполнена в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Научный консультант: д

доктор биологических наук, профессор Тамарина Нина Александровна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Рославцева Светлана Александровна

доктор биологических наук, Фролов Андрей Николаевич

доктор биологических наук, профессор Чайка Станислав Юрьевич

Ведущая организация:

Зоологический институт РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения общей биологии РАН по адресу: Москва, Ленинский проспект, д. 33.

Ученый секретарь

Совета Д 002.213.01 по защите докторских

и кандидатских диссертаций

кандидат биологических наук, доцент Т.П. Крапивко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Чешуекрылые - отряд, четвертый по численности среди насекомых. И одно из наиболее крупных семейств этого отряда - листовертки (Lepidoptera: Tortricidae). Листоверток разделяют на три подсемейства, из которых два крупных - собственно листовертки (Tortricinae) и плодожорки (Olethreutinae). Среди представителей этих подсемейств существует много опасных вредителей сельского и лесного хозяйств. В связи с современными требованиями охраны окружающей среды для контроля и борьбы с листовертками необходим поиск новых, безопасных методов защиты растений. В тоже время, благодаря хорошей дифференцированности в систематическом и экологическом отношении, эта группа насекомых является удобным модельным объектом для изучения механизмов поддержания разнообразия в естественных биоценозах.

Аксиомой считается утверждение, что биологическое разнообразие в природе существует благодаря явлению полиморфизма. В результате многочисленных исследований полиморфных видов была определена генетическая и селекционная природа внутрипопуляционного полиморфизма, разработана концепция адаптивной популяционной стратегии, исследованы некоторые механизмы поддержания гомеостаза полиморфных популяций и, таким образом, разработана теория полиморфизма (Ford, 1940; Н.В. Тимофеев-Ресовский, 1977; Яблоков, 1980; и др.). Однако остается актуальным вопрос выделения признаков-маркеров, позволяющих описывать разнокачественность особей в пределах нормы реакции не дискретных характеристик вида. Более того, для выявления различий между популяциями одного вида по таким не дискретным признакам, внутри каждой популяции необходимо выявлять группы особей с близкими характеристиками. Выделение внутривидовых группировок необходимо и при анализе разнокачественности популяции в аспекте репродуктивного поведения.

Для многих насекомых, в том числе листоверток, хеморецепция является важнейшим инструментом анализа окружающего мира. Спектр запахов и веществ контактного действия, влияющих на насекомых, чрезвычайно широк. Их значение в жизни насекомых трудно переоценить, т.к. их действия распространяются как на регулирование физиологического состояния организма, так и поиск полового партнера, мечение пути к источнику пищи и т.д. (Джекобсон, 1976; Скиркявичус, 1986; Visser, 1986). Жизнедеятельность имаго листоверток почти полностью связана с репродуктивным поведением. Половое поведение листоверток определяется половыми феромонами. Результатам изучения роли феромонов посвящен огромный пласт научной литературы. Подробно изучался состав феромонов многих видов, пути биосинтеза активных соединений в феромонных железах, механизм их восприятия. Для ряда близкородственных видов показано значение феромонов как механизма предкопуляционной изоляции. Однако при всем многообразии исследований популяционная и биоценотическая роль феромонов как фактора поддержания биологического разнообразия не раскрыта. Не выявлено общих закономерностей в изменчивости состава феромонов в пределах отдельной группы насекомых, что важно при изучении влияния химических соединений на особенности репродуктивного поведения. полиморфизм репродуктивный листовертка

У позвоночных животных процессы общения между особями - социальное поведение, куда относят и его репродуктивную составляющую - изучает особое направление науки (Панов, 1975; Crook, 1970). При изучении поведения беспозвоночных, репродуктивное поведение ассоциируется с определенным комплексом явлений, хотя сам термин недостаточно четко сформулирован. Поэтому исследователи часто сводят репродуктивное поведение к более узким понятиям, объясняющими одну из сторон процесса репродукции. Например, к процессу полового поведения (см., например, Bailey, Ridsdill-Smith, eds., 1991). Однако репродуктивное поведение, в том числе листоверток, - это многофакторная, многогранная система, определяющая не только процесс воспроизводства поколений. Несмотря на многочисленные исследования, роль репродуктивного поведения как целостной системы, участвующей в формировании и поддержании внутри- и межвидового разнообразия, изучена недостаточно.

Раскрытие биоценотической роли репродуктивного поведения, полиморфизма и хемокоммуникации в поддержании биологического разнообразия у листоверток, как на внутрипопуляционном уровне, так и в сообществе видов конкретного биоценоза, и изучение схемы соподчинения этих факторов требуют дополнительных исследований.

Цели и задачи исследования

Цель работы: выявление комплекса факторов поддержания внутри- и межвидового разнообразия листоверток, связанных с системой репродуктивного поведения.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Определить признаки-маркеры, позволяющие выявить различия в системе репродуктивного поведения особей.

2. На примере листоверток изучить значение морфологического полиморфизма в формировании репродуктивной стратегии вида, поддерживающей внутривидовое разнообразие.

3. Изучить роль хемокоммуникации как фактора поддержания внутри- и межвидового разнообразия в сообществе листоверток.

4. Исследовать влияние кормового растения на систему репродуктивного поведения.

Научная новизна

Впервые на 3 видах листоверток выявлены морфологические особенности репродуктивного аппарата, которые маркируют особей с различными стратегиями в системе репродуктивного поведения.

Впервые проведен анализ состава феромона у всеядной листовертки в панмиксической популяции и изменений соотношения цис-/транс-изомеров при инбридинге. Впервые показано, что соотношение макро- и микрокомпонентов феромона всеядной листовертки определяется генотипом самцов-родителей.

Впервые показано, что реализация стратегий «специалист-генералист» внутри полиморфного вида может быть связана с процессом полового поведения.

Впервые показано, что в природном биоценозе феромонный фон, определяемый видом, доминирующим в сообществе листоверток, повышает двигательную активность самцов и самок других видов. Впервые показана способность самок листоверток реагировать на запах феромона другого вида.

Впервые выявлены эволюционные связи между полиморфизмом полового аппарата самцов и усложнением феромонного сигнала. Впервые показаны корреляции между соотношением цис-/транс-изомеров соединений феромона и различиями по локусу СО1 мтДНК в пределах одного рода.

Теоретическая и практическая значимость

Работа выполнена в рамках современной фундаментальной проблемы изучения механизмов поддержания биологического разнообразия. Развиваемая концепция репродуктивного поведения как составной части системы поддержания разнообразия позволила обосновать связь полиморфизма полового аппарата самцов с репродуктивной активностью и изменчивостью полового феромона самок листоверток. Сопоставление модели генетического наследования морфологических признаков-маркеров и изменчивости локуса COI мтДНК у особей разных фенотипов подтвердило предположение о внутривидовом уровне разнообразия. Изучение изменчивости в соотношении цис- и транс-изомеров у разных видов листоверток методами анализа мтДНК выявило основные эволюционные тенденции усложнения состава феромона в пределах рода. Работа имеет практическую ценность для оптимизации биологического контроля и борьбы с вредными чешуекрылыми в современной системе интегрированной защиты сельскохозяйственных культур.

В соответствии с поставленной целью работы на защиту выносятся следующие основные положения:

1. Репродуктивное поведение, кроме своей основной функции - связи поколений, является фактором поддержания разнообразия листоверток на уровне вида и сообщества видов.

2. Полиморфизм репродуктивного аппарата связан с существованием разных жизненных стратегий и внутривидовым разнообразием на биохимическом и поведенческом уровнях.

3. Феромонный фон, создаваемый доминирующими видами, поддерживает видовое разнообразие сообщества листоверток.

4. Кормовое растение через изменение биологических характеристик особей влияет на соотношение фенотипов, модифицируя внутрипопуляционную структуру фитофага.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на Всесоюзной конференции «Феромоны листоверток-вредителей сельского и лесного хозяйства», 19 - 21.11. 1984, Кяэрику, Эстония; Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов «Биологический метод в интегрированной защите сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков», 29.09 - 6.10. 1985, Кишинев, Молдавия; IV Всесоюзном симпозиуме по хеморецепции насекомых, 22-23.09. 1988, Вильнюс, Литва; Всесоюзном совещании по феромонам, 1990, Москва; Всесоюзном совещании «Стратегия изучения биоразнообразия наземных животных», 28.11 - 01.12. 1994, Москва; Международной конференции «Биоразнообразие и динамика экосистем Северной Евразии», 21-26.08. 2000, Новосибирск; 2-й международной научной конференции «Биоразнообразие и роль зооценоза в естественных и антропогенных экосистемах», 20-31.10. 2003, Днепропетровск Украина; XIV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, 30.05 - 3.06. 2005, Черноголовка, Россия; IX Международной научно-практической экологической конференции «Современные проблемы популяционной экологии», 2-5. 10. 2006, Белгород, Россия; IX Всероссийском популяционном семинаре «Особь и популяция - стратегия жизни», 2-6. 10. 2006, Уфа; Международной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора А.И. Зотина «Адаптации и биоэнергетика. Онтогенетические, эволюционные и экологические аспекты», 25-27.10. 2006, Москва; Международной конференции «Химическая коммуникация животных. Фундаментальные проблемы», 29.11 - 1.12. 2006, Москва; Московском отделении Русского энтомологического общества, 22.10.07.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 49 научных работ (45 статей, из них 28 в журналах из списка ВАК, и 4 тезиса).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов. Текст диссертации изложен на 193 страницах, в ней содержится 43 таблицы и 33 рисунка. Список цитируемой литературы включает 533 наименования, в том числе 194 на русском и 339 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Материал и методы

Для листоверток: тимофеечной Aphelia paleana (Hbn.), всеядной Archips podana (Scop.), розанной A. rosana (L.), боярышниковой A. crataegana (Hbn.), пестрозолотистой A. xylosteana (L.), сетчатой Adoxophyes orana (F.R.), дымчатой Choristoneura diversana (Hbn.), ивовой кривоусой Pandemis heparana (Den. et Schiff.), лещинной кривоусой P. cerasana (Hbn.) и плодожорок: плодовой Hedya nubiferana (Hw.), яблонной Cydia pomonella (L.) исследованы особенности морфологии гениталий, биологии, репродуктивного поведения.

Работа основана на анализе сборов листоверток, отловленных ловушками с синтетическими аттрактантами или девственными самками, сборах гусениц листоверток и доращивании их до имаго, лабораторном разведении и поддержании отдельных линий листоверток. Лабораторное разведение всеядной, ивовой кривоусой, боярышниковой листоверток и яблонной плодожорки проводили в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова. Особенность разведения в том, что отдельно содержались каждая родительская пара и гусеницы дочернего поколения от них на каждой кормовой культуре.

В работе использован сравнительно-таксономический подход с применением методов классической систематики и методов анализа мтДНК.

Таблица 1. Цели, задачи, материал и объём исследований

Цель	Задачи	Методы исследований	Объекты и объем материала
Выявление полиморфных по половому аппарату видов листоверток и изучение особенностей их распределения по ареалу и стациям.	Определение признаков-маркеров полиморфизма и анализ их соотношения в разных точках ареала и биоценозах.	Отлов клеевыми ловушками с различными аттрактантными составами в 3-5-кратной повторности. Закарпатская (1984-1987), Крымская (1988-1989), Брестская (1988), Московская (с 1989 по настоящее время) области. Равномерное размещение ловушек по территории модельных садов: Ботанический сад МГУ, яблоневые сады площадью 20 и 24 га. Изготовление тотальных препаратов гениталий для идентификации каждой особи.	Определено 90 видов листоверток, в т.ч. из 40 - взяты выборки для выявления полиморфных видов. Распределение всеядной листовертки по ареалу и стациям по учетам в ловушках с аттрактантом из 2-х макрокомпонентов цис- и транс-тетрадеценилацетатов (цис-11/ транс-11-ТДА в соотношении 63:37). Препараты гениталий более 30000, в т.ч. всеядной листовертки - более 22000 экз.
Изучение влияния феромонного фона на репродуктивное поведение.	Изучение особенностей репродуктивного поведения самцов и самок разных фенотипов, изучение влияния феромона на поведение имаго другого вида.	Отлов клеевыми ловушками с разным соотношением макро (цис-11/транс-11-ТДА) и микрокомпонентов (цис-11/транс-11-тетрадеценолов). Выставление самок в ловушках в природном биоценозе. Каждый вариант опыта не менее чем в 3-5-кратной повторности. Лабораторные и полевые наблюдения за поведением самцов около самки.	Всеядная (n=140 +), розанная и пестрозолотистая (n=130 +) листовертки, яблонная плодожорка (n=25+).
Изучение особенностей биологии и репродуктивного поведения особей полиморфного вида.	Определение схемы наследования признаков и их влияние на биологические показатели при развитии на разных кормовых растениях. Определение влияния фенотипа на состав феромона и половую активность.	Лабораторное разведение культуры с 1998 г. Попарное содержание самцов и самок в чашках Петри в течение всей жизни особей. Групповое разведение гусениц от каждой родительской пары на определенной виде кормового растения. Вскрытие самок, подсчет яиц во всех кладках. Сбор феромона методом прокачивания воздуха над призывающими самками. Анализ феромона методом газово-жидкостной хроматографии в лаборатории карбоциклических соединений ИНХС им. А.В. Топчиева.	620 пар, вскрытие более 700 + всеядной листовертки. Кормовые растения: яблоня, груша, слива, сирень, смородина, вишня, малина. Сбор феромона от 46 самок всеядной и 22 самок дымчатой листоверток.
Подтверждение гипотезы о единстве вида, применение новых методов в сравнительном анализе составов феромонов родственных видов.	Анализ локуса 1 цитохромоксидазы мтДНК (СО1).	Выделение мтДНК из образцов по методике Sperling, Hickey, 1995, с изменениями. ПЦР проведена по протоколу, приведенному в работе Kruse, Sperling, 2002. Секвенирование проведено в Центре секвенирования ИМБ им. В.А. Энгельгардта и Кабинете методов молекулярной диагностики ИПЭЭ им. А.Н. Северцова.	Листовертки: всеядная 25 экз., дымчатая 7 экз., плодовая 4 экз., лещинная и пестрозолотистая по 2 экз., розанная и боярышниковая по 1 экз.
	Статистическая обработка материала	Стандартные методы для биологических исследований, программа Stadia 4.1, показатели µ и h популяционного разнообразия по Л.А. Животовскому (1982).

Глава 2. Особенности репродуктивного поведения, полиморфизма и хемокоммуникации у низших чешуекрылых

В главе дан обзор проблемы изучения репродуктивного поведения, генетических и фенотипических основах полиморфизма и его роли в формировании популяций у насекомых. Проанализированы работы, в которых исследовались особенности репродуктивного поведения чешуекрылых и, особенно, листоверток, в аспекте феромонной коммуникации полов. Рассмотрен вопрос о влиянии кормового растения и абиотических факторов среды на полиморфизм и репродуктивное поведение чешуекрылых.

Понятие поведения, как целостной системы соподчинения простых и сложных действий, разработано для позвоночных животных в работах Л.В. Крушинского (1977) и др. Поведение, которое обеспечивает взаимодействие между особями популяции, было названо «социальным поведением» и, по мнению некоторых исследователей, может формировать этологическую структуру популяций (Панов, 1983). В этой системе важная роль принадлежит репродуктивному поведению, обеспечивающему связь поколений. При изучении особенностей репродуктивного поведения беспозвоночных исследователи часто сводят его к половому поведению (French et al., 2004; Hall, 2005, и др.). Некоторые исследователи изучали репродуктивное поведение как процесс поведения самок при откладке яиц или приравнивали к агрегационному поведению, способу локализации мест для спаривания, репродуктивной изоляции среди видов-двойников (Gupta, Thorsteinson, 1960; Papaj, 2000; Robert, 1971, и др.). Роль репродуктивного поведения как фактора поддержания разнообразия на популяционном и биоценотическом уровнях не раскрыта.

Трофические связи между насекомыми-фитофагами и их кормовыми растениями играют ведущую роль в жизнедеятельности, как отдельных насекомых, так и популяции в целом (Злотин, 1986). Фитофаги отличаются по своей способности использовать растения из-за разной скорости потребления пищи, эффективности ее переваривания и детоксикации вредных веществ (Ижевский, 1974; Баранчиков, 1987; Futuyma, Peterson, 1985). Поэтому предполагается, что различия между видами вскрывают результат эволюции, в то время как вариации внутри популяции являются исходным материалом для эволюционного процесса (Via, 1990). Итоговым показателем существования таких различий может служить масса куколок. Для многих видов насекомых показана линейная зависимость плодовитости от массы куколки (Honek, 1993). Однако для чешуекрылых зависимость более сложная и слабо изучена (Leather, 1988).

Особое внимание при анализе литературы уделено явлению полиморфизма, поскольку на нем базируется с одной стороны эволюция, как крайнее проявление изменчивости, с другой стороны устойчивость биологических систем. Различия между видами одного рода, прерывистое и непрерывное разнообразие представителей одного вида можно отнести к полиморфизму в широком смысле слова (Берг, 1957). Полиморфизм, в узком смысле - это сосуществование в динамическом равновесии двух или более морфофизиологически различимых форм в пределах популяции (Тимофеев-Ресовский и др., 1977). При изучении внутрипопуляционного полиморфизма, было показано существование особей, использующих разную стратегию адаптаций в гетерогенной окружающей среде - специалистов и генералистов. Насекомые-специалисты, это особи использующие стратегию «мелкого зерна», генералисты - «крупного» (Сергиевский, 1988). Ключевым моментом при изучении полиморфизма является выделение в общей изменчивости каких-либо признаков-маркёров генотипа, которые могут характеризовать степень полиморфизма популяции (Яблоков, Ларина, 1985). Изучались механизмы поддержания гомеостаза полиморфных популяций (И.И. Шмальгаузен, 1968; Алтухов и др.,1996; Dobzhansky, 1970; Frolov, 1995). Один из возможных механизмов поддержания внутрипопуляционного разнообразия, когда селективные преимущества обеспечивает и генерализованная, и специализированная стратегия использования кормового растения, предложен А.Н. Фроловым (1991). Однако комплекс механизмов, взаимодействующих в системе полиморфизм - репродуктивное поведение и их значимость в формировании структуры популяций оставались без должного внимания. Нет данных о различиях в половом поведении особей одной полиморфной популяции, в том числе, не изучено влияние близкородственного скрещивания на изменения в репродуктивном поведении.

Для исследования репродуктивного поведения часто используют насекомых в силу сочетания высокой организации и коротких жизненных циклов. У листоверток (Lepidoptera: Tortricidae) жизнедеятельность имаго почти полностью подчинена поиску полового партнера и оставлению потомства (Скиркявичус, 1986; Charlton, Cardй, 1990). Поиск особи противоположного пола у этих видов осуществляется на основе химических сигналов - половых феромонов, выделяемых самками (Джекобсон, 1976; Roelofs, Brown, 1982). Предложены классификации феромонов по составу и соотношению компонентов (Ando et al., 1981; Roelofs, Cardй, 1977). Исследован механизм биосинтеза компонентов в железах самок (Morse, Meighen, 1987). Изучена изменчивость состава феромона у насекомых из разных точек ареала (Toth et al., 1992). Однако роль феромонов в репродуктивном поведении самцов и самок, стратегия использования химических сигналов в биоценозе, влияние на структуру популяции изучена не достаточно. Приводятся противоречивые данные по возможному влиянию генотипа на вариабельность феромонных составов. Не раскрыта роль феромонного фона сообщества в процессах структуризации внутри- и межвидового разнообразия и, особенно, его влияние на поведение самок.

Глава 3. Полиморфизм, хемокоммуникация и роль репродуктивного поведения в поддержании внутривидового разнообразия и структуры популяций листоверток

Полиморфизм репродуктивного аппарата листоверток. Современная филогения и систематика низших чешуекрылых основана на анализе комплекса морфологических признаков, связанных с внешней морфологией, в том числе, с репродуктивным аппаратом (Кузнецов, Стекольников, 2001). Поэтому из 30 морфологических характеристик, выбранных для разделения североамериканских видов рода Archips (Hbn.), 12 признаков связаны с половым аппаратом самцов и самок (Kruse, Sperling, 2002). Существует мнение, что не полиморфных видов чешуекрылых не существует (Robinson, 1971). Например, известен полиморфизм в цветовой вариации куколок Choristoneura fumiferana (Clem.). Нами показано, что у листоверток подсемейства Tortricinae различия в особенностях строения гениталий существуют не только на видовом, но и на внутривидовом уровне (Сафонкин, 1987).

У листоверток в роде Aphelia (Hbn.) тимофеечная листовертка Aphelia paleana (Hbn.) и A. unitana (Hbn.) рассматриваются как отдельные виды (Кузнецов, 1978). Нами выявлен ряд переходных форм от строения эдеагуса, характерного для A. paleana, через увеличение числа дорсальных шипиков до строения эдеагуса, сходного с таковым для A. unitana (рис. 1, 1,2), что позволяет считать существующие различия как проявление внутривидового полиморфизма у вида тимофеечной листовертки (Сафонкин, 1989).

Рис. 1. Схема строения эдеагусов листоверток: Aphelia unitana (Hbn.) с зубчиками на дорсальной стороне (1) и тимофеечной - A. paleana (Hbn.) (2); пестрозолотистой Archips xylosteana (L.) без отростка (3) и с отростком (4); ивовой кривоусой листовертки Pandemis heparana (Den. et Schiff.) (5). (1, 2, 5 - по Кузнецову, 1978, с изменениями; 3, 4 - ориг.). К - корнутусы, В - везика.

Гетерогенность по деталям строения эдеагуса выявлена у самцов пестрозолотистой листовертки Archips xylosteana (L.) (рис. 1, 3,4; рис. 2) (Сафонкин, 1989). При отлове аттрактантными ловушками были обнаружены самцы, имеющие отросток на левой стенке эдеагуса и не имеющие такового. Позднее была отмечена изменчивость в количестве зубцов на эдеагусе у ивовой кривоусой листовертки Pandemis heparana (Den. et Schiff.) (Козлов, 1991) (рис. 1, 5).



Рис. 2. Эдеагус пестрозолотистой листовертки Archips xylosteana (L.), сканирующий микроскоп (ориг.). Виден отросток левой стенки. Масштаб 100 мкм.

Наиболее полно была изучена морфология гениталий у всеядной листовертки Archips podana (Scop.) (Сафонкин, 1987, 2000). Окраска крыльев у имаго всеядной листовертки позволяет разделять особей по полам. Более тонкие различия фенотипической структуры вида связаны с репродуктивным аппаратом имаго (рис. 3).

Рис. 3. Схема строения эдеагуса у самцов всеядной листовертки Archips podana (Scop.): 1- фенотип «А», 2- фенотип «Б», 3- фенотип «АБ», 4- фенотип «0» и фотографии зубцов, в световом (5) и сканирующем (6, 7) микроскопе (ориг.); 5- зубцы «А», «Б» (фенотип «АБ»); 6 - зубец «Б»; 7 - зубец «А»; К - основания корнутусов на схеме и корнутусы целиком на фотографии (5); В - везика. Масштаб: 5 - 50 мкм, 6 -10 мкм, 7 -100 мкм.



5 6 7

Считалось, что всеядная листовертка характеризуется эдеагусом с зубцом на вершине (Кузнецов, 1978). Т.В. Иванова и Э.Р. Мыттус (1986) обнаружили самцов, на эдеагусе которых был латеральный зубец, и предложили маркировать самцов с данными различиями индексами «А» и «Б». Проведенный нами сравнительно-морфологический анализ гениталий самцов показал, что вид в действительности характеризуется не двумя, а четырьмя фенотипами (Сафонкин, 1987).

Фенотип «А» -- зубец расположен на конце эдеагуса и направлен книзу (рис. 3, 1, 7). 2. Фенотип «Б» -- зубец расположен на левой стенке эдеагуса, приблизительно на ? от вершины (рис. 3, 2, 6). 3. Фенотип «АБ» -- на эдеагусе имеются два зубца: один на конце и другой на левой стенке, сбоку (рис. 3, 3, 5). 4. Фенотип «0» -- на эдеагусе зубцы отсутствуют (рис. 3, 4).

Анализ изменчивости признака показал, что зубцы могут различаться в размерах. Выявлены особи, относящиеся к любому из трех первых фенотипов, у которых зубцы были раздвоены (как у вентрального, так и у латерального зубца) или было два - три отдельных зубца (только для латерального зубца).

Известно, что механизмы ключ-замок во внутренних гениталиях низших чешуекрылых могут представлять собой таксономические признаки (Мikkо1а, 1988). Поэтому, в качестве источника возможных полиморфных структур, по аналогии с известным у самцов, нами были изучены особенности антрума самок всеядной листовертки. (Сафонкин, 2000). В совокупительной сумке, на внешней стороне изгиба антрума, перед началом дуктуса, отмечены выступающие кутикулярные структуры (рис. 4, 1, 2).

Рис. 4. Схема (1, 2) и фотографии (3, 4) расположения выростов на антруме самок всеядной листовертки (ориг.). 3 - сканирующий микроскоп; 4 - световой микроскоп. С - фенотип «С», L - фенотип «L», D - фенотип «D», Z - фенотип «Z», У - кутикулярное утолщение. Масштаб: 3 - 100 мкм, 4 - 10 мкм.

3 4

Выступы различаются расположением (по центру или ближе к правому краю), количеством (от 0 до 2), размером (от острого «зубца» до широкой «арки»). Таким образом, по морфологической вооруженности антрума можно выделить 4 фенотипа особей: «C» (central) - с выступом по центру (рис.4, 2,3), «L» (lateral)- с выступом сбоку (рис. 4, 2), «D» (double)- с двумя выступами (рис. 4, 2, 4), «Z» (zero)- с отсутствием выступов (рис. 4, 2).

Следует отметить, что размер и размещение выростов на поверхности антрума у самок, относящихся к группам «C» и «L», значительно варьирует не только у особей одной генерации, но и у самок дочернего поколения от одной родительской пары.

Физиологическое значение выделенных морфологических признаков связано с процессом копуляции. Зубец «Б» необходим для правильного направления эдеагуса вдоль кутикулярного утолщения антрума (у) (рис. 4). Зубец «А» для фиксации эдеагуса в антруме, кутикулярные выросты - для упора эдеагуса. Благодаря зубцам везика эдеагуса располагается напротив семенного протока и фиксируется на время, необходимое для передачи сперматофора. Отсутствие одного из зубцов может влиять на правильность расположения везики и протока относительно друг друга.

Митохондриальная наследственность у листоверток. Анализ изменчивости локуса I субъединицы цитохромоксидазы (COI) мтДНК используется в систематике насекомых для выяснения филогенетических отношений у близкородственных видов, в т.ч. для разделения одного вида на несколько новых (Kruse, Sperling, 2001) или подтверждения возможности гибридизации (Deventro et al., 1998). Для подтверждения предположения о единстве вида, несмотря на существование морфологического полиморфизма, были протестированы самцы и самки разных фенотипов всеядной листовертки. Анализ не выявил различий по локусу COI мтДНК. Не было выявлено изменчивости по локусу COI для дымчатой листовертки, собранной из районов, расстояние между которыми составляло 200 км. Отмеченные нами различия по данному локусу у розанной листовертки, возможно, связаны с широким географическим распространением вида, т.к. нуклеотидная последовательность локуса у особей, собранных в пределах Московской области отличается от таковой для особей из США, взятой из GenBank.

Таким образом, анализ изменчивости локуса СОI мтДНК подтверждает существование внутривидовой изменчивости по морфологическим особенностям репродуктивного аппарата самцов и самок всеядной листовертки.

Генетические основы полиморфизма листоверток. Схема наследуемости признака у всеядной листовертки. Чешуекрылые, как хороший модельный объект, широко используются в исследованиях по изучению механизмов наследования признаков (см., например, сводку Robinson, 1971). Для подтверждения предположения, что признаки морфологической изменчивости гениталий всеядной листовертки являются маркерами генотипических различий, был проведен ряд скрещиваний между особями разных фенотипов (Сафонкин, Куликов, 2001). Мы предлагаем обозначить аллель, ответственный за проявление морфологического признака - зубца ("prong"), как Р. Следовательно, аллель, ответственный за признак "зубец А" - как Р¹, "зубец Б" - Р².

Таблица 2. Схема наследования признака «расположение и количество зубцов на эдеагусе»

Генотип + Генотип >	Р1 Р1	Р2 Р2	Р1 Р2
	Фенотипы
Р1 Р1	А	АБ	А, АБ
Р2 Р2	АБ	Б	Б, АБ
Р1 Р2	А, АБ	Б, АБ	А, Б, АБ

В таблице 2 представлены возможные варианты появления особей определенного фенотипа в потомстве, если гены, ответственные за признак, расположены в аутосоме. По этой схеме в гомозиготном состоянии фенотипически может проявиться зубец либо на конце эдеагуса (Р¹ Р¹), либо сбоку (Р² Р²), тогда как в гетерозиготе (Р¹ Р²) проявляются оба зубца. Полученные в экспериментах результаты подтвердили данное предположение (табл. 3). Суммарная численность выборок потомства от самцов каждого фенотипа и размещение по классам предполагают практически 100%-ную вероятность того, что там, где в родительской паре были самцы фенотипов «А» либо «Б», в их потомстве представлены как свои фенотипы, так и промежуточный фенотип «АБ». В потомстве самцов «АБ» представлены особи трех фенотипов. Только в потомстве самцов «Б» был отмечен самец фенотипа «0».

В потомстве самок всех четырех анализируемых фенотипов представлены три основных фенотипа самцов. Это свидетельствует об отсутствии прямой связи между фенотипами самцов и самок. Тем не менее, отмечено увеличение доли самцов «Б» в потомстве самок фенотипа «D» в отличие от потомства других самок. Фенотип самцов «Б» выступает в данном случае как антагонист остальным фенотипам, уменьшая их долю в потомстве. Тест ч² демонстрирует достоверное сходство соотношений фенотипа «Б» и остальных фенотипов в потомстве самок «С», «L», «Z» (ч² ? 1,45; d.f. = 1; р > 0,20), а также высоко достоверное отличие доли фенотипа «Б» в потомстве самок фенотипа «D» от таковой у других самок (ч ² ? 9,42; d.f. = 1; р < 0,002).

На примере наследования цветовых форм у куколок, цвета глаз имаго у ряда низших чешуекрылых было показано, что гены, ответственные за исследуемые признаки, могут располагаться как в аутосоме, так и половой хромосоме (Robinson, 1971).

Таблица 3. Наследуемость морфологических признаков в дочернем поколении по родительским фенотипам самцов и самок всеядной листовертки

Родительское поколение*	Дочернее поколение, % (численность имаго**)
	Фенотип самцов
	А	Б	АБ	0
А (6)	65.38 (17)	0	34.62 (9)	0
Б (4)	0	85.11 (40)	12.77 (6)	2.12 (1)
АБ (18)	30.43 (35)	8.70 (10)	60.87 (70)	0
	Фенотип самцов/самок
	А/С	Б/L	АБ/D	0/Z
C (15)	31.69 (45) 44.36 (59)	26.06 (37) 18.05 (24)	41.55 (59) 27.28 (37)	0.70 (1) 9.77 (13)
L(6)	37.5 (6) 46.66 (7)	12.5 (2) 26,27 (4)	50.0 (8) 26.67 (4)	0 0
D(3)	13.33 (2) 66.67 (2)	60.0 (9) 0	26.67 (4) 0	0 33.33. (1)
Z(4)	23.53 (4) 37.04 (10)	11.76 (2) 51.85 (14)	64.71 (11) 11.11. (3)	0 0

* В скобках -число родительских пар.

** В скобках - число потомков данного типа скрещивания.

Характер распределения фенотипов потомков у всеядной листовертки от индивидуальных скрещиваний свидетельствует о расположении гена, контролирующего данный признак, в одной из аутосомных групп сцепления. При сцеплении признака с половыми хромосомами, в потомстве от скрещенного гомозиготного самца (ZZ) с гемизиготной самкой (ZW) любого генотипа, можно было бы обнаружить только один генотип. Это не соответствует результатам скрещиваний, так же как и присутствие в потомстве гетерозиготных особей самцов всех трех фенотипов.

Итак, морфологический критерий определенного фенотипа самцов - зубец на эдеагусе - контролируется одним геном с двумя аллелями, расположенным в аутосомной группе сцепления. При этом признак "отсутствие зубцов" (0) соответствует признаку "зубец "Б", т.е. является крайним проявлением невыраженности данной структуры в фенотипе. Для самок фенотипическое проявление признака «вырост антрума» связано с полигенным наследованием. Полученные результаты показывают, что выбранные признаки соответствуют критерию фена (Яблоков, 1987) и, следовательно, являются маркерами для изучения внутрипопуляционной изменчивости.

Внутривидовое разнообразие всеядной листовертки по ареалу, стациям и времени массового лёта. Ф.Г. Добжанским было высказано предположение, что существует взаимосвязь между изменчивостью и числом занимаемых ниш особями одной популяции (Dobzhansky, 1951). На Mytilus edulis (L.) (Сергиевский и др., 1997), Aedes caspius caspius (Pall.) (Ивницкий и др., 1984), Callosobruchus chinensis (L.) (George, Verma, 1997) показана связь фенотипической изменчивости и различий в экологических характеристиках.

Для всеядной листовертки, как полиморфного вида, было предположено существование аналогичной зависимости (Сафонкин, 1989). Для характеристики популяции информативно использовать изменчивость индекса отношения количества особей фенотипа «Б» к бабочкам фенотипа «А». Существует клинальная изменчивость индекса по ареалу. В Брестской области соотношение особей фенотипа «Б» к особям фенотипа «А» составило 0,02, в Закарпатской и Московской областях до 1,0, а на юго-западе в Крыму и Зардобском районе Азербайджана до 36,0. Относительно высокое обилие самцов фенотипа «АБ» отмечено в центре ареала.



Рис. 5. Значение индекса Б/А и среднее обилие самцов в условиях смешанного сада (Ботанический сад МГУ) (вертикальные линии Х±S_x).

Различия в структуре популяции листовертки по индексу Б/А проанализированы для разных стаций на небольшой территории. Так как для Ботанического сада МГУ характерны стации с разными культурами, индекс Б/А сильно менялся в зависимости от места расположения ловушек (рис. 5). В целом структура популяции на разных плодовых культурах, расположенных на небольшой территории, соответствовала тому, что наблюдалось для тех же плодовых культур, занимающих большие пространства.

Гетерогенность в распределении особей разных фенотипов была отмечена и на территории с одной кормовой культурой - яблонями. В плодовом саду отмечены микростации, где в течение нескольких лет преобладали самцы фенотипа «Б». Внутри них индекс Б/А достоверно (F_факт. > F_теор., р =0,05) превышал таковой по ловушкам, расположенным вокруг очага. Были отмечены микростации, где преобладали самцы фенотипа «А». Концепция адаптивной стратегии постулирует, что в пределах одного вида могут быть как группы особей «генералистов», так и группы особей «специалистов» (Сергиевский, 1988; Via, 1990). Степень специализации насекомых разных фенотипов можно предположить, основываясь на дискретности или равномерности распределения особей по территории. По данному критерию у всеядной листовертки фенотипы «А» и «Б» маркируют особей-специалистов, а фенотип «АБ» - особей-генералистов, поскольку самцы последнего наиболее равномерно распределены по территории.

Хотя самцы всеядной листовертки несколько различаются по своим адаптационным возможностям, общее увеличение обилия вида происходит за счет увеличения абсолютной численности самцов всех фенотипов. При возрастании обилия увеличивается конкуренция за обладание самками. Расчет коэффициент детерминации (d_yx= -0,95, р<0,01) по уловам в модельном саду показал, что с вероятностью 80% увеличение численности бабочек фенотипа «А» отрицательно влияло на количество особей фенотипа «АБ» в той же учетной точке. В садах наибольшую силу влияния оказывала плотность особей «АБ» (d_xy,z = -0,9, р<0,05), и только в местах с преобладанием фенотипа «А» при низкой плотности популяции сильнее влияло обилие самцов этого фенотипа (d_xy,z = -0,84, р<0,01).

Обнаружено, что положительная корреляция наблюдается только между обилием самцов «Б» и «0» (r=0,38, р=0,03). Отрицательная корреляция - между количеством самцов «Б» или «0», с одной стороны, и «АБ» или «А» - с другой (r= -0,71, р=0,0). Эти результаты не зависят от общего обилия самцов в исследуемых сборах. На основании анализа коэффициента детерминации и корреляции обилия самцов разных фенотипов по ареалу для всеядной листовертки нами было предположено, что ген, ответственный за проявление морфологического признака «количество зубцов на эдеагусе», связан с комплексом генов, ответственных за половое поведение самцов.

У насекомых преобладают три группы мотиваций - выбор оптимальных условий обитания, поиск пищи, поиск полового партнера (Плеханов, Купрессова, 1984). Для имаго листоверток, т.к. они не питаются, основная жизнедеятельность заключается в поиске полового партнера. Поэтому, из всех возможных факторов биохимического уровня мы выбрали наиболее важные для репродуктивного поведения листоверток, обеспечивающие хемокоммуникацию особей - феромоны. Поскольку увеличение доли бабочек фенотипа «Б» в уловах возникало вследствие уменьшения доли особей остальных фенотипов, было предположено, что существуют микрокомпоненты феромона, влияющие на привлечение самцов фенотипа «Б».

Роль поведенческих актов в репродуктивном поведении чешуекрылых. Особенности хемокоммуникации самцов разных фенотипов всеядной листовертки. Известно, что самцы листоверток способны привлекаться более широким кругом соединений класса аттрактантов, доз и соотношений входящих изомеров по сравнению с выделяемыми самками (Frerot et al., 1982). Самцы всеядной листовертки реагируют на аттрактанты, в котором соотношение макрокомпонентов цис-/транс-ТДА варьирует от 4:1 до 1:4. В уловах на все варианты синтетических аттрактантов можно обнаружить самцов любого фенотипа. Наблюдения показали, что микрокомпоненты, а именно цис-11- и транс-11-ТДол, играют положительную роль в аттрактивности самцов всеядной листовертки (Сафонкин, Быков, 1995).

Рис. 6. Количество самцов всеядной листовертки, отловленных ловушками с различными составами и девственными самками (по результатам экспериментов 1993-1996 гг.). По оси абсцисс - варианты опыта: 1 - макрокомпоненты цис-11/транс-11-ТДА 63:37, 1 мг; 2 - макрокомпоненты 1 мг + цис -11-ТДол, 0,05 мг; 3 - макрокомпоненты 1 мг + транс -11-ТДол, 0,05 мг; 4 - макрокомпоненты 1 мг + микрокомпоненты цис-11: транс-11-ТДол 63:37, 0,05 мг; 5 - контроль - девственные самки; вертикальные линии Х_ср±S_ср; по оси ординат - количество самцов на ловушку за учет.

Количество самцов, реагирующих на трехкомпонентный аттрактант, содержащий микрокомпонент - цис-11-ТДол, на порядок превышает количество самцов, привлеченных на двухкомпонентный аттрактант, состоящий из цис-11-/транс-11-ТДА (рис. 6, ст. 1) и сопоставимо с уловистостью самок (рис. 6, ст. 2 и 5). В два раза хуже привлекла смесь с добавлением цис-11-/транс-11-ТДол, еще хуже добавка одного транс-11-ТДол (рис. 6, ст. 4 и 3). Однако, при изучении привлекательности разных составов аттрактанта для имаго, были выявлены некоторые различия в аттрактивности самцов разных фенотипов. Для самцов фенотипа «Б» наиболее привлекательным был аттрактант, где количество цис-спирта в смеси составляло 0,5% (рис. 7). В отличие от привлечения самцов фенотипа «Б», лёт самцов фенотипа «0» в ловушки отмечен при более высоких дозах спирта в аттрактанте, не меньше чем на 3 - 5% цис-11-ТДол в смеси.

Самцы фенотипа «А», также лучше реагируют на более высокое содержание спирта, причем увеличение доли цис-11-ТДола не превышает количество самцов, летящих на аттрактант, состоящий только из макрокомпонентов. Доля самцов фенотипа «А» с 25% до 50% в уловах повышается с увеличением количества транс-11-ТДола в аттрактанте от 0,5 до 20%. Для самцов фенотипа «АБ» различия в уловистости ловушек с разными аттрактантами менее выражены.



Рис. 7. Изменчивость в аттрактивности самцов всеядной листовертки 4-х фенотипов при разных количествах цис-11-ТДола в смеси. По оси абсцисс - количество цис-изомера спирта (в мг) в 3-, 4-х компонентных аттрактантах к 1 мг макрокомпонентов; по оси ординат - % самцов разных фенотипов в уловах.

По критерию привлекательности самцов к разным составам синтетического аттрактанта можно предположить степень специализации особей всеядной листовертки разных фенотипов. Самцы фенотипов «А» и «Б» относятся к насекомым-специалистам, поскольку они хорошо реагируют на 3 или 4-компонентные аттрактанты с преимущественным содержанием одного из микрокомпонентов. Самцы фенотипа «АБ» - к насекомым-генералистам, одинаково хорошо привлекаемых аттрактантом, состоящим как из двух, так и из 3-4 компонентов.

Проведенные наблюдения за половым поведением самцов всеядной листовертки около капсулы с синтетическим аттрактантом, расположенной на открытой поверхности, выявили уровень сходства и различий между поведением самцов при восприятии ими запаха разных микрокомпонентов феромона. Аттрактант с добавкой транс-спирта, хотя и привлек 80% бабочек от общего количества прилетевших на аттрактант с добавкой цис-изомера спирта, менял характер близкодистанционного полового поведения самцов, являясь менее "приспособленным" соединением для предкопуляционной фазы поведения.

Таким образом, в пределах нормы реакции на феромон, фенотипы маркируют самцов, различающихся по восприятию соотношений микрокомпонентов.

Роль биохимической изменчивости состава феромона в репродуктивном поведении листоверток. Известно существование различий в составе половых феромонов у листоверток (Frerot et al., 1979) и совок (Лебедева и др., 2002) по ареалу. Для Ostrinia nubilalis (Hbn.) было показано, что продуцирование феромона определенного состава у самок из разных популяций не связано с поведенческим ответом на эти смеси самцов (Roelofs et al., 2002). Для ряда видов показана низкая изменчивость в составе феромонов в пределах одной популяции (Lacey, Sanders, 1992), поскольку важным условием существования такой изменчивости считается отсутствие селективного пресса против широкого восприятия самцами запахов (Barrer et al., 1987).

Рис. 8. Хроматограмма состава полового феромона всеядной листовертки от самок из панмиксической лабораторной популяции (а) и в дочернем поколении после инбридинга (б). TDA - тетрадеценилацетат, TDol - тетрадеценол, Z, E - цис- и транс-изомеры соответствующих компонентов. По оси абсцисс - время удерживания вещества, по оси ординат - сила сигнала.

Анализ компонентного состава феромона, собранного над девственными самками всеядной листовертки, показал наличие макрокомпонентов: цис-11-тетрадеценилацетатов (цис-11-ТДА) и транс-11-тетрадеценилацетатов (транс-11-ТДА) и микрокомпонентов: цис-11-тетрадеценолов (цис-11-ТДол) и транс-11-тетрадеценолов (транс-11-ТДол) (Сафонкин, Триселева, 2003; Сафонкин, Быков, 2006) (рис.8).

Было отмечено, что соотношение цис-11- и транс-11-ТДА меняется по годам наблюдений, но достаточно стабильно между вариантами эксперимента одного года. Соотношение цис-11- и транс-11-ТДол значительно варьировало не только по годам, но и в каждом варианте опыта, отражая степень индивидуальных различий.

Эксперименты показали, что через генотип самцов передается наследственная информация о соотношении компонентов феромона у самок дочернего поколения, поскольку в потомстве самца-родителя фенотипа «АБ» (генотип Р¹Р²) доля микрокомпонентов в феромоне самок больше, чем в потомстве самцов фенотипа «Б» (генотип Р²Р²) (табл. 4).

Был проанализирован феромон от самок, полученных в результате инбридинга (табл. 4, данные 2005 г.). Анализ выявил снижение доли спирта в феромоне самок дочернего поколения от самцов фенотипа «АБ». Кроме того, если в феромоне самок, взятых из панмиксической лабораторной популяции, преобладал цис-11-ТДол, то при инбридинге увеличилось количество транс-11-ТДА и, соответственно, возросла доля транс-11-ТДол (табл. 4, рис. 8).

Таблица 4. Состав феромона самок дочернего поколения всеядной листовертки от самцов разных фенотипов

Фенотип самца-родителя, *	Соотношение изомеров, %
	транс -11-ТДол	цис-11-ТДол	транс-11-ТДА	цис-11-ТДА	Микро: макрокомпоненты
2002 г.**
Б (1; 4)	-	100	? 45	? 55	2.8
2003 г.
АБ (1; 3)	18.7	81.3	38.0	63.0	18.9
Б (2; 8)	25.7	74.3	37.2	62.8	4.48± 0.49
2005 г.
АБ (1; 7)	? 90	? 10	50.1	49.9	3.3
Б (2; 9)	? 90	? 10	64.8	35.2	1.58± 0.13
Б (1; 6)	? 90	? 10	72.8	27.2	8.4

*- В скобках указано число повторностей и общее число самок в опыте.

**- По методу анализа цис- и транс- изомеры ацетатов и спиртов не разделены.

У другого исследованного вида - дымчатой листовертки (Choristoneura diversana), в феромоне самок выявлены только макрокомпоненты цис- и транс-изомеры тетрадеценаля (ТДАль). Феромоны содержали от 8,1 до 11,9% транс-ТДАль, что отражает степень индивидуальной изменчивости. Не обнаружено достоверных различий в компонентном составе феромона от самок, собранных в садах, расположенных на расстоянии 10 км.

Таким образом, разнокачественность феромонного сигнала в панмиксической популяции по соотношению макрокомпонентов варьирует у отдельных самок в пределах нормы реакции, а доля микрокомпонентов зависит от генотипа самца-родителя. При инбридинге у самок дочернего поколения меняет соотношение цис- и транс-изомеров макро- и микрокомпонентов феромона.

Репродуктивная активность имаго всеядной листовертки. Репродуктивная активность, определяемая как успех спаривания (по наличию сперматофора в копулятивной сумке самки) у имаго разных фенотипов различается (Сафонкин, 2000). Способность самцов всеядной листовертки фенотипа «А» к спариванию с самками ниже, чем у самцов других фенотипов. Самцы «Б» обладают повышенной половой активностью. Количество успешных спариваний имаго фенотипа «Б» по отношению к неоплодотворенным самкам составляет 2,6, в то время как у «АБ» - 1,9, у «А» - только 0,6. Оценка методом ч ² наблюдаемых различий по сопоставлению соотношения оплодотворенных и неоплодотворенных самок в скрещиваниях показала достоверное преимущество в спариваниях особей фенотипов «Б» и «АБ» по сравнению с фенотипом «А» (ч ² ?4.07; d.f. = 1; р ?0.05). Самцы фенотипа «Б» в два- три раза активнее спариваются с самками фенотипов «L» и «D», чем с самками фенотипа «С».

...