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

В отличие от самцов и самок, взятых из разных линий лабораторной культуры, успех спаривания между особями внутри одной линии резко снижен. Оценка соответствия успеха скрещивания между особями разных линий и внутри одной линии по критерию ч² показывает различие как в целом между успешными и неуспешными спариваниями особей в двух вариантах эксперимента, так и для самцов фенотипа «Б» (ч² ? 7,61, d.f.=1, p<0,01). Изменения в соотношении цис-11- транс-11-изомеров феромона и активности полового поведения имеют значение на популяционном уровне. Если происходит близкородственное скрещивание, у особей дочернего поколения повышается уровень гомозиготности. В феромоне самок дочернего поколения от самцов фенотипа «Б» и «АБ» увеличивается доля транс-спирта. Такие самки в природном биоценозе начинают привлекать преимущественно самцов фенотипа «А», что в целом повышает долю гетерозиготных особей в следующем поколении.

Следовательно, у всеядной листовертки аллели Р¹ и Р², ответственные за фенотипическое проявление исследуемого признака у самцов, являются не только маркерами разного уровня максимальной чувствительности к наличию цис-11- или транс-11-тетрадеценола в половом феромоне, но и различий в половой активности самцов при спаривании.

Глава 4. Кормовое растение - фактор, модифицирующий систему репродуктивного поведения листоверток

Влияние кормового растения на морфологию феромонной железы. Влияние кормового растения на насекомое-фитофага значимо и влияет на морфологию, биологию особей и экологию популяций (Papaj, 2000; Tuciж et al., 1991). Однако результаты исследований по изучению влияния кормового растения на репродукцию и состав феромона, приводимые в работах разных авторов, противоречивы и требуют дополнительных исследований и уточнений.

В эксперименте гусениц всеядной листовертки выкармливали на растениях яблони, сирени, сливы, груши и смородины. Наибольшие различия в объеме ядер клеток феромонных желез (t_факт>t_теор, р= 0,04) получены между самками, развивавшихся на сливе (68,6±7,0 мкм²) и сирени (90,3±4,1 мкм²). Предполагается, что изменение размеров ядер коррелирует с интенсивностью биосинтеза (Иванович и др., 1991). Действительно, уменьшение размерных показателей ядер клеток феромонной железы коррелировало с уменьшением количества привлекаемых самками самцов (13,3±8,2 самцов на самку со сливы, 30,1±5,2 с яблони и 42,1±11,9 с сирени (F=4,18; d.f.=2, 37; р<0,05).

Т.о., после питания некоторым кормом меняется размер ядер клеток феромонной железы и, соответственно, репродуктивный успех самок.

Влияние кормового растения на морфологию сенсорного аппарата листоверток. Известно, что у насекомых-фитофагов существуют различия в выборе определенного растения, связанные с сенсорной чувствительностью (Kogan, 1976). В исследованиях на тлях (Bernays et al., 2000) и саранчовых (Chapman, Lee, 1991) прослежена связь различий в питании и плотности популяции с количеством целоконических и коротких трихоидных сенсилл. На антеннах всеядной листовертки общее число сенсилл на членике у самцов, в отличие от самок, увеличивается при увеличении массы куколок (r=0,49, р=0,01). У самок, в отличие от самцов, не меняется численность целоконических, уменьшается число коротких трихоидных сенсилл в ряду яблоня (34,8±1,2) - смородина - сирень - слива (28,1±1,2) (t=3,9, d.f.=11, p=0,003). Тенденция к уменьшению базиконических и ушковидных сенсилл первого типа, отмечена у самок, развивавшихся на смородине (Сафонкин и др., 2004).

Было проанализировано соотношение разных типов сенсилл между фенотипами самцов «Б» и «АБ» и самок дочернего поколения, являющихся потомками от самцов-родителей тех же фенотипов. Самки от самцов фенотипа «Б» названы как самки (Б), от самцов фенотипа «АБ» - самки (АБ) (Триселёва, Сафонкин, 2006).

Однофакторный анализ показал, что фактор - генотип самца - имеет влияние на общее количество сенсилл на членике у самок (F₁= 3,54, р=0,003) и самцов (F₁= 3,56, р=0,004) в том числе на количество коротких трихоидных сенсилл у самцов, развивавшихся на сирени (F₁=3,1, р=0,045).

У самок при развитии на сирени обнаружились различия между фенотипами (АБ) и (Б) в количестве коротких трихоидных сенсилл. При этом, также как и у самцов фенотипа Б, у самок (Б) их среднее количество на одном членике (27,61±0,94) достоверно меньше (р=0,0), чем у особей (АБ) (32,8±0,84). Были выявлены различия в ушковидных сенсиллах первого типа. Количество этих сенсилл, напротив, было выше у самок (Б) (4,12±0,15) по сравнению с самками (АБ) (2,59±0,13).

Сигналы от коротких трихоидных сенсилл необходимы для удерживания самок на той пище, которой питались гусеницы (Den Otter, 1980). У самок всеядной листовертки на некоторых растениях уменьшается количество коротких трихоидных сенсилл. Это один из возможных механизмов преодоления стрессовой ситуации после питания «менее ценным» кормовым растением, когда самкам необходимо разлетаться в поисках более подходящего для откладки яиц растения. Различия в количестве сенсилл у самцов и самок разных фенотипов подтверждают реализацию стратегий "специалист" и "генералист" при расселении и поиске растений, оптимальных для дочернего поколения.

Влияние качества кормового растения на процессы развития всеядной листовертки. У любого полифага, при всей его многоядности, широта диеты особей более узкая, чем в целом для популяции (Fox, Morrow, 1981). В экспериментах с всеядной листоверткой отмечено достоверное (р=0,01) замедление развития преимагинальных стадий на 4-5 дней на груше и яблоне, в отличие от сирени (Сафонкин, 2000). Пересадка гусениц II - III возраста на новую кормовую культуру, моделирующая возможное расселение гусениц в природе, либо удлиняла (слива-яблоня, на 7 дней), либо укорачивала (яблоня-смородина, на 6 дней) время личиночного развития. Удлинение развития в течение лета может совпасть по времени с переходом через критическую длину дня, после которой индуцируется диапауза (Заславский, 1978; Bonnemaison, 1977). В экспериментах на всеядной листовертке, как и других поливольтинных видах (Шаров, Сафонкин, 1980), отмечена летняя личиночная диапауза в период развития второго поколения. Гусеницы III возраста во второй половине лета остаются в листьях, но практически не питаются, а на зимовку уходят осенью. Эта диапауза является факультативной, поэтому регулируется совместным действием фотопериода, температуры и питанием гусениц в I-II возрастах. До наступления летней диапаузы сезонное изменение качества листьев либо аналогичный этому переход на новый корм синхронизирует сроки окукливания и, соответственно, отрождения имаго.

Репродуктивные стратегии самок листоверток трибы Archipini. Репродуктивная система самок листоверток характеризуется единым планом строения (Musgrave, 1937), но общая плодовитость самок зависит от репродуктивной стратегии. К- либо К/r- стратегия характерна для моновольтинных видов самок пестрозолотистой, розанной и боярышниковой листоверток (табл. 5). Самки откладывают мало яиц, которые проходят период зимней диапаузы. Поскольку откладка зимующих яиц требует от самок больших энергетических затрат, связанных с выделением защитной белковой оболочки вокруг яиц, размер кладок не велик. Для дымчатой листовертки характерен переход к зимовке диапаузирующих гусениц первого возраста.

В отличие от выше рассмотренных видов, для всеядной листовертки характерна «классическая» r-стратегия, характеризующаяся откладкой большого количества (с оптимумом в 300-600) яиц, в которых сразу начинается процесс эмбриогенеза (табл. 5).

На репродуктивную стратегию самок поливольтинного вида влияют сроки развития генерации. Так, для всеядной листовертки характерна достоверная разница по средней массе куколок между первым и вторым поколениями (t_факт.> t_теор., р<0,001). Общая плодовитость самок с разных растений коррелирует с массой куколки (r=88,4%; d.f.=6; p=0,004).

Таблица 5. Особенности репродуктивной стратегии самок листоверток трибы Archipini

Таким образом, в отличие от моновольтинных видов, всеядная листовертка, имея несколько генераций в сезоне, сильнее подвержена влиянию кормового растения на скорость развития гусениц и плодовитость самок.

Влияние кормового растения на фенооблик популяции полиморфного вида. У всеядной листовертки были исследованы изменения в структуре популяции, возникающие в связи с питанием гусениц на «непрогнозируемом» ими кормовом растении.

Показатели внутрипопуляционного разнообразия () и доли редких форм (h) выявили среди кормовых растений виды с разной степенью пригодности для развития листоверток весеннего и летнего поколений. В первом поколении разнообразие фенотипов, например на сливе, относительно меньше (1,990,76), чем во втором (3,760,20). На смородине разнообразие фенотипов после зимовки гусениц выше (µ = 3,90±0,30 в весеннем и 1,20±0,50 в летнем поколении). Степень подготовленности конкретной гусеницы к переживанию неблагоприятных условий во многом определяется питанием определенным кормовым растением. Двухфакторный анализ показал, что, хотя до 80% фенотипической изменчивости зависят от генетической изменчивости (²) (F=10,58, d.f.= 6, 24, p=0,0), на модификационную изменчивость, зависящую от питания гусениц, приходится до 4% (F=7,34, d.f.=4, 24, p=0,0007). Следовательно, фенотипический состав популяции может зависеть и от питания гусениц на том или ином растении.

Адаптационные возможности фенотипов на разных кормовых растениях. Фенотипы у всеядной листовертки являются маркерами степени различий в адаптационных возможностях особей. Критерием адаптационных различий была выбрана масса куколок, которая в значительной мере обеспечивает репродуктивный потенциал имаго.

Рис. 9. Средняя масса куколок самцов всеядной листовертки, фенотипов А, Б, АБ в весеннем (1) и летнем (2) поколениях (в мг; Х±S_х по всем растениям в эксперименте и выборочно на яблоне - смородине). * : ** - достоверность различий р < 0,05.

Эксперимент был основан на изучении зависимости массы куколки определенного фенотипа после питания гусеницы на конкретном виде кормового растения. Для этого гусениц из индивидуальных кладок от родительских пар определенных фенотипов рассаживали на все виды растений, используемые в эксперименте, создавая эффект «неопределенности» питания в дочернем поколении.

Большие различия по массе куколок после питания гусениц на разных растениях отмечены для самцов насекомых-специалистов «А» и «Б» (генотипы Р¹Р¹ и Р²Р²), особенно в летнем поколении (рис. 9). Для насекомых фенотипа «АБ» (гетерозиготный генотип Р¹Р²), использующих генерализованную стратегию адаптации, характерны средние показатели по массе куколок. Следовательно, адаптационные возможности насекомых специализированных фенотипов сильнее зависят от качества кормового растения.

Как было показано выше, на уровне хемокоммуникационного канала у всеядной листовертки фенотипы «А» и «Б» являются маркерами "специалистов", а фенотип «АБ» -"генералистов". Отмеченные различия по массе куколок при питании гусениц на разных растениях подтверждают этот вывод.

Следовательно, растения являются фактором модификационной изменчивости. При питании на определенном кормовом растении, меняется морфология сенсорной, пищеварительной и репродуктивной систем органов, длительность развития преимагинальных стадий и плодовитость самок, в результате чего модифицируется внутривидовое разнообразие полиморфного вида.

Глава 5. Репродуктивное поведение, феромонный фон и видовое разнообразие сообщества листоверток

В природном биоценозе особи находятся во взаимоотношения с другими видами насекомых, в том числе и с теми, которые осуществляют свое репродуктивное поведение на основе аналогичных химических соединений. В работах приводятся противоречивые данные по способности самок ощущать запах феромона собственного вида. У некоторых видов антенна самок откликается на стимуляцию запахом феромона (Скиркявичус, 1988), у других - нет (Hansson, 1995). На Choristoneura fumiferana (Clem.) было показано усиление двигательной активности самок под влиянием феромона своего вида (Sanders, 1987). Возможное влияние запаха иного вида на репродуктивное поведение самок не изучалось.

Влияние феромонного фона на половое поведение самок листоверток. Межвидовые отношения у розанной и пестрозолотистой листоверток были изучены в плодовых садах степного отделения Никитского ботанического сада (Крым) и яблоневых садах Московской области (Safonkin, 1998). Показано, что половые феромоны самок (или отдельные компоненты феромона) одного вида влияют на половое поведение самок другого вида, вследствие восприятия ими запаха феромона. В экспериментах по изучению взаимовлияния феромонов при совместном содержании розанной и пестрозолотистой листоверток отмечено 2-35 кратное уменьшение количества привлеченных самцов самками этих видов. Обнаружено, что время восприимчивости самок к запаху феромона иного вида, лежит в пределах до 24 часов после отрождения их из куколок.

Обилие этих видов в биоценозе также сказывается на репродуктивной активности самок. При высокой плотности обоих видов молодые самки розанной листовертки привлекли самцов в 4 раза меньше (t _факт >t_теор, р= 0,01), чем самки возрастом около суток. При низком обилии исследуемых видов аттрактивность самок этого вида практически не уменьшается. Отрицательное влияние на привлечении самцов при взаимодействии самок двух видов сильнее проявляется у пестрозолотистой листовертки. При высоком обилии аттрактивность однодневных самок розанной листовертки снижается в 1,7 раза, пестрозолотистой - в 6,5 раз (t _факт >t_теор, р= 0,01).

В проведенных нами экспериментах отмечена тенденция к снижению отрицательного влияния запаха феромона при визуальном контакте самок, т.е. содержании розанной и пестрозолотистой листоверток в одном садке. Контактирующие между собой молодые самки двух видов привлекли в 2 раза больше самцов (розанная - 14,0±7,99, пестрозолотистая - 2,0±1,46), чем выставленные в спаренных садках (7,22±2,47 и 0,67±0,44, соответственно).

Возраст самок влияет и на синхронизацию процесса выделения феромона самками двух видов во время их репродуктивной активности. Для самок, возраст которых был более 12 часов, помещенных в один садок (или спаренные садки в одной ловушке) корреляция в привлечении самцов составляет от -0.53 до -0.68. Коэффициент детерминации (d_xy) составил от 25% до 50%, что свидетельствует о значительном влиянии феромона в процессе подавления репродуктивного поведения имаго. Для молодых самок, выставленных в эксперимент сразу после отрождения, корреляции становятся положительными: от 0.33 до 0.56. Следовательно, самки даже разных видов в группе ориентируются на синхронное выделение феромона. Синхронное выделение феромона у самок одного вида снижает энергетические затраты имаго при привлечении самцов, что важно на популяционном уровне. Синхронизация выделения феромонов самками разных видов, несмотря на большее взаимное подавление привлекательности, свидетельствует об общебиологической значимости эффекта группы в репродуктивном поведении чешуекрылых.

Как показано выше, при одновременном выделении феромонов близкородственными видами происходит ингибирование аттрактивности самок. Поэтому, в связи с необходимостью сохранения нормального полового поведения особей, на запахи феромонов, присутствующих в биоценозе, могут реагировать не только самцы, но и самки. Лабораторные эксперименты показали, что поведенческий ответ молодых самок на запах феромона выражался в большей подвижности и уменьшении времени нахождения в позе призывной активности (Сафонкин, 1991). В естественных условиях запах феромона стимулирует самок к разлету из мест отрождения, особенно при повышении плотности. Ограничение передвижения приводит к снижению аттрактивности бабочек. Однако прямые контакты самок играют положительную роль, снижая степень взаимного подавления аттрактивности. Плотность популяции влияет и на активность самцов. При повышении плотности популяции и в конце массового лёта видоспецифичность восприятия самок самцами понижается. Так, самцы розанной листовертки в конце массового лёта залетали в ловушки с самками пестрозолотистой листовертки в 6 раз чаще, чем в контрольные, без самок. Снижение уровня видоспецифичности восприятия запаха полового феромона является одним из механизмов поиска конспецифичной самки в непредсказуемых условиях среды.

Влияние феромонного фона на половое поведение самцов листоверток. Изучение сезонной динамики численности и суточной динамики половой активности 90 видов листоверток в плодовых садах показало, что лёт многих видов перекрывается (Сафонкин, 1989). Поэтому сезонные и суточные циклы лёта не могут обеспечивать полную предкопуляционную репродуктивную изоляцию, особенно для массовых видов, обитающих в одном биотопе. Например, половая активность самцов яблонной плодожорки начиналась до захода солнца, через час наступал пик активности. Половая активность самцов всеядной листовертки начиналась после захода солнца и достигала своего максимума через 2 часа. Лёт самцов ивовой кривоусой листовертки также начинался после захода солнца. Таким образом, эти виды одновременно активны в течение трех - четырех часов после захода солнца.

Обзор литературы по изучению роли половых феромонов в репродуктивной изоляции насекомых приведен в работе Р.Т. Карде (Cardй, 1987). Известно несколько типов влияния дополнительных соединений на аттрактивность синтетических смесей, в том числе ингибирование и синергизм. Например, Dichrorampha plumbana Sc. и D. petiverella L., обитают на одних и тех же растениях. D. plumbana летит на цис-9-/транс-9-ДДА, самцы же D. petiverella абсолютно не реагируют на эти вещества, но хорошо привлекаются трехкомпонентной смесью цис-9-/ транс-9-ДДА : транс-11-ТДА в пропорции 0,5 : 0,5 : 2,0 по 4,5±1,1 самца/ловушку и одним транс-11-ТДА по 3,3±0,7 самца в ловушку (Сафонкин, Булеза, 1988). Эти составы не привлекли ни одного самца D. plumbana. Следовательно, вещество транс-11-ТДА, являясь макрокомпонентом феромона D. petiverella, одновременно несет функцию ингибитора аттрактивности для самцов D. plumbana. То есть ингибирующий эффект определенного компонента может быть главным фактором предкопуляционной изоляции, как показано и для других групп чешуекрылых (Quero, Baker, 1999). Биологическое значение эффекта синергизма компонентов феромонов на поведение имаго других видов в естественном биоценозе не изучено.

Нами было показано, что в стабильном биоценозе половое поведение самцов доминирующих видов листоверток, осуществляющих репродуктивное поведение в течение одного и того же времени и не конкурирующих за пищу, мало или совсем не ингибируется феромоном другого вида. Феромонный фон, создаваемый запахом макрокомпонентов феромонов доминирующих видов, может даже стимулировать половое поведение особей других видов в поисках самок (Сафонкин, 1988).

В плодовых садах с помощью ловушек с аналогами феромонов было проведено исследование влияния феромонного фона на поисковую активность самцов яблонной плодожорки, всеядной и ивовой кривоусой листоверток (Safonkin, 1993).

Эксперименты показали полное отсутствие привлечения самцов ивовой кривоусой листовертки в ловушки, в которые были одновременно помещены капсулы с аттрактантами для этого вида и всеядной листовертки. При этом аттрактивность самцов всеядной листовертки не уменьшалась.

Рис. 10. Усиление поисковой активности (по количеству отловленных ловушками имаго) самцов всеядной листовертки под действием запаха аттрактанта для яблонной плодожорки, транс-8,транс -10-ДДА. Варианты опыта цис-11-/транс-11-ТДА 63:37, 1 мг и транс-8,транс -10-ДДА, 1 мг в капсулах как: 1) смесь в одной капсуле; 2) капсулы плотно соединены; 3) капсулы на расстоянии 3-5 см в одной ловушке; 4) аттрактанты в отдельных, но соединенных ловушках; 5) ловушка с аттрактантом всеядной листовертки и капсулой с аттрактантом яблонной плодожорки на расстоянии 50 см; 6) то же на расстоянии 100 см. По оси ординат - количество привлеченных в ловушки самцов всеядной листовертки в % от контроля (100%) - уловов самцов ловушками с аттрактантом для всеядной листовертки.

Неоднозначные эффекты отмечены при взаимодействии феромонов яблонной плодожорки и всеядной листовертки. На близком расстоянии между капсулами с синтетическими аналогами половых феромонов был отмечен эффект усиления поисковой активности. При выставлении на расстоянии 50-100 см - эффект ингибирования (рис. 10). Коэффициент d_xy показывает, что для некоторых вариантов эксперимента имеется более чем 50% вероятность увеличения количества отловленных бабочек всеядной листовертки, когда плотность популяции яблонной плодожорки возрастает. В некоторых случаях зависимость отлова бабочек от плотности популяции другого вида достоверно (t_{r факт.}>t_{r теор.}, p< 0,05) подтверждала факт их взаимовлияния. В одном модельном ряду, где корреляция составляла в среднем -0,51±0,35, были большие различия в количестве отловленных самцов между учетными точками. При пересчете корреляций для тех ловушек, где плотность бабочек была более 20 на ловушку, корреляция между числом отловленных самцов яблонной плодожорки и всеядной листовертки составляла 0,99±0,66 (t_{r факт.}>t_{r теор.}, p= 0,001).

Увеличение обилия всеядной листовертки и яблонной плодожорки не приводит к усилению конкуренции. Более того, одновременное воздействие гусениц этих видов на плоды и листовую поверхность снижает защитные реакции деревьев, что облегчает процесс питания на таких субстратах (Barbara et al., 1994). Как было показано выше, при одновременном наличии в воздухе запахов феромонов яблонной плодожорки и всеядной листовертки, увеличение активности показано только для самцов всеядной листовертки. Это связано с тем, что репродуктивная активность яблонной плодожорки начинается еще до захода солнца, когда самцы еще не сталкиваются с запахом феромона всеядной листовертки. В противоположность этому, самцы всеядной листовертки уже в начале суточной половой активности могут чувствовать запах феромона яблонной плодожорки. Поскольку активность самцов начинается раньше призывного полового поведения самок, ответ на любой, но постоянно присутствующий в биоценозе запах класса аттрактантов стимулирует самцов к более раннему поиску, что позволяет им быстрее найти самок своего вида.

В дочернем поколении количество потомков от самки ограничивается числом отложенных ею яиц, в то время как количество потомков от самца зависит от того, сколько самок он оплодотворил. Таким образом, самки становятся лимитирующим фактором, что может лежать в основе рассмотренного выше явления повышения половой активности самцов. Способность части самцов одной популяции усиливать поисковую активность под влиянием запаха феромона иного вида, дает им преимущество перед другими особями той же популяции, ведущими поиск самок только под воздействием видоспецифичного запаха. Следовательно, макрокомпоненты феромона могут быть значимым фактором влияния на видовое разнообразие сообщества листоверток.

Глава 6. Тенденции по изменению системы репродуктивного поведения в эволюции листоверток

Для изучения родственных отношений таксонов в семействе листоверток используют признаки функциональной морфологии брюшка самцов (Кузнецов, Стекольников, 2001). На основе изменений в скелете полового аппарата самцов и степени редукции генитальных мышц, были предложены схемы происхождения таксонов листоверток на уровне триб (Кузнецов, Стекольников, 2001). По этим критериям представители семейства Tortricidae разделены на три исторически давно дивергировавшие и эволюционирующие в разных направлениях подсемейства: Tortricinae, Chlidanotinae и Olethreutinae. Сопоставление филогенетических отношений на основе морфологических признаков и состава феромонов выявило ряд закономерностей (рис. 11) (Сафонкин, 2007). Наиболее архаичной считается триба Polyorthini, входящая в подсемейство Chlidanotinae. В феромон представителей этой трибы входят цис-11-гексадеценилацетаты. В архаичной надтрибе Cochylidii подсемейства Tortricinae основными компонентами феромонов являются вещества с 14-членными углеродными цепочками. В наиболее модифицированной и специализированной трибе Cochilini начинают преобладать транс-изомеры веществ.

Рис. 11. Филогенетические отношения в семействе листоверток на основе функциональной морфологии брюшка (по Кузнецову, Стекольникову, 2001, с изменениями) и состав феромонов. Цифры: 12, 14, 16 - длина углеродной цепочки компонентов феромона с одной двойной связью, 12* - с двумя двойными связями. Z- в феромоне отмечены только цис-изомеры; > - цис-изомеры преобладают над транс-изомерами; = - цис- и транс- изомеры в равной пропорции; < - транс-изомеры преобладают над цис-изомерами. Цифры за названием триб - количество видов, у которых известен состав феромона или аттрактанта.

Аттрактанты в надтрибе Cnephasiidii в основном являются соединения с 14-членными углеродными цепочками, с преобладанием цис-изомеров. У представителей трибы Cnephasiini, которая является более продвинутой, чем триба Archipini, в феромоне самок нескольких видов появляются соединения с 12-членной углеродной цепочкой, а самцы одного вида реагируют на транс,транс-8,10-ДДДА.

Несколько в стороне от остальных триб подсемейства стоит триба Tortricini. В феромонах и аттрактантах представителей данной группы содержатся соединения и с 14-членной и с 12-членной углеродной цепочкой, причем, для последней отмечены соединения с двумя двойными связями, что характерно для представителей подсемейства Olethreutinae. Для представителей подсемейства Olethreutinae вновь отмечается большое разнообразие используемых как аттрактанты соединений. В аттрактантах реликтовых и архаичных видов архаичных триб есть соединения с 12- и 14-членной углеродной цепочкой и преимущественно цис-изомеры.

У представителей более продвинутых триб Olethreutini, Enarmoniini, Eucosmini и Grapholitini возрастает доля соединений с 12-членной цепочкой, появляются соединения с двумя двойными связями, причем их доля в аттрактанте возрастает в соответствии с вышеизложенным порядком перечисления.

Среди соединений с одной двойной связью преобладают цис-изомеры (рис. 12, а), с двумя двойными связями и однотипной изомеризацией (цис,цис или транс,транс-)- транс-изомеры, особенно у представителей более молодых триб (рис. 12, б). Для разноизомерных феромонов (цис,транс- либо транс,цис-) только в наиболее молодой трибе Grapholitini преобладает транс-изомеризация в первом положении (рис. 12, в).

Рис. 12. Изменения в соотношении цис-/транс (а), цис,цис-/транс,транс (б) и цис,транс/транс,цис (в) - изомеров феромонов у представителей подсемейства Olethreutinae. 1- Olethreutini, 2- Eucosmini, 3- Grapholitini, 4- Enarmoniini. По оси абсцисс доля определенного изомера в феромоне (в %).

Следовательно, в подсемействе Olethreutinae эволюционные тенденции заключаются в переходе от преимущественного использования цис-изомеров к использованию как цис-, так и транс-изомеров соединений на новом витке эволюции: биосинтезе веществ с двумя двойными связями.

Таким образом, очевидно, эволюция в использовании определенных соединений в качестве феромонов шла, во-первых, в направлении уменьшения длины углеродной цепочки от 16- к 12-членной; во-вторых, в выделении и восприятии не только цис-, но и транс-изомеров соединений. Поэтому, увеличение доли транс-изомеров в феромоне или аттрактанте может свидетельствовать об эволюционной молодости представителей данной группы.

Филогенетические отношения между родами и видами листоверток на основе состава феромона и изменчивости нуклеотидной последовательности мтДНК. На основе установленного факта появления транс-изомеров в эволюционно более молодых группах рассмотрим эволюцию листоверток рода Archips. Состав феромонов или аттрактантов изучен для 30 видов, распространенных в Голарктике (Witzgarll et al., 2004). Только цис-изомеры характерны для 10 видов, 2 - 30-кратное превышение цис-изомеров над транс-изомерами отмечено для 12 видов, 0,1 - 1-кратное для 7 и только транс-изомер - для одного вида.

Рис. 13. Количество видов листоверток рода Archips, обитающих в Европе, Азии и Северной Америке и содержащих определенное соотношение цис-/транс-изомеров в феромоне. По оси абсцисс - уменьшение доли цис-изомера по отношению к транс-изомеру, по оси ординат - количество видов на каждом континенте.

На рис. 13 представлены тенденции по использованию изомеров компонентов феромонов листовертками рода Archips на каждом континенте. Большее количество видов использует исключительно или преимущественно цис-изомеры. Следуя вышеизложенной схеме в соотношении изомеров в пределах семейства листоверток, их можно отнести к более древним видам.

Включение в феромон как цис-, так и транс-изомеров в сопоставимых количествах, либо преимущественно транс-изомеров, характерно для видов в эволюционно более молодых трибах. На территории Европы только в феромоне всеядной листовертки соотношение изомеров близко к 1. В Северной Америке наиболее молодой вид по этой схеме - A. tsuganus Powell., аттрактант которого состоит только из транс-11-ТДА, а в Азии - A. asiatica Wal.

Анализ изменчивости локуса СОI мтДНК по методу ближайшего связывания (NJ) в сочетании с составом феромона выявил закономерность (Сафонкин, Триселёва, 2008), которая представлена на дендрограмме (рис. 14). Исследованные виды листоверток рода Archips, за исключением всеядной листовертки, группируются в один кластер, а их активные компоненты феромона состоят преимущественно из цис-изомеров соединений.

Рис. 14. Дендрограмма генетических взаимоотношений между видами трибы Archipini и Olethreutini на основе нуклеотидной последовательности локуса COI мтДНК. Цифры, указанные после латинского названия, обозначают соотношение цис-/транс-изомеров; нуклеотидные последовательности, взятые из GenBank для розанной листовертки, елового почкоеда и яблонной плодожорки, отмечены как USA - для видов с американского континента, Kaz. - собранного в Казахстане.

Феромоны елового почкоеда и дымчатой листовертки содержат альдегиды (табл. 6), и, поэтому, несмотря на разное соотношение транс-изомеров, на дендрограмме они расположены в едином кластере. Феромон самок дымчатой листовертки преимущественно состоит из цис-изомеров, хотя присутствуют и транс-изомеры ТДАль.

Таблица 6. Соотношение цис-/транс-изомеров компонентов феромона ряда листоверток подсемейств Archipini и Olethreutini

В составе феромонов листоверток лещиной кривоусой, всеядной и плодовой количество цис- и транс-изомеров сопоставимо (табл. 6). Таким образом, расположение видов на дендрограмме совпадает с тенденцией к увеличению доли транс-изомеров в феромоне от розанной листовертки к яблонной плодожорке. Расположение всеядной, лещиной и плодовой листоверток в одном кластере может отражать более позднее время происхождения этих видов, т.к. сопоставимые количества цис-, транс-изомеров в феромоне характерны для видов в эволюционно более молодых трибах.

Тенденции в эволюции состава феромонов и изменчивости локуса COI соответствуют определенным биологическим характеристикам видов. На территории Европы виды рода Archips, содержащие преимущественно цис-изомеры, чаще развиваются в одном поколении. Они откладывают относительно мало яиц, покрытых плотной защитной оболочкой, что свидетельствует о тенденции к использованию К-стратегии. Виды, имеющие большую долю транс-изомеров в феромоне развиваются в нескольких поколениях. Для этих же видов характерно откладывание большего количества яиц, т.е. r-стратегия, переживание зимнего периода на стадии гусеницы 3-4-го возрастов.

Заключение

Система репродуктивного поведения как фактор поддержания внутри- и межвидового разнообразия сообщества листоверток (Lepidoptera: Tortricidae)

В результате проделанной работы впервые фактологически обоснована значимость репродуктивного поведения как целостной системы, формирующей внутри- и межвидовое разнообразие сообществ листоверток, определяемой комплексом взаимодействующих генетических, морфологических, биохимических, этологических факторов на разных уровнях организации материи, направленной на оставление жизнеспособного потомства и реализуемой в определенных условиях окружающей среды.

Для листоверток, в том числе представителей трибы Archipini, можно выделить два направления эволюционных изменений в системе репродуктивного поведения. Первое направление - это формирование полиморфизма репродуктивного аппарата. Полиморфизм как явление внутривидового уровня подтверждается отсутствием значимых различий в последовательностях мтДНК у имаго разных фенотипов. Второе направление - усложнение химического сигнала. У ряда видов произошла параллельная эволюция в формировании полиморфизма и усложнении феромонного сигнала. В наиболее законченном виде это представлено у всеядной листовертки.

В пределах общей изменчивости признаков, характеризующих вид как особую единицу, выделенные особенности полиморфизма репродуктивного аппарата имеют особое значение. Во-первых, они имеют определенное физиологическое значение, т.к. зубцы на эдеагусе и кутикулярные выросты на антруме необходимы для спаривания, работая по принципу ключ-замок. Во-вторых, гены, отвечающие за фенотипическое проявление признаков, связаны с комплексом генов, ответственных за процессы репродукции. Таким образом, фенотипы, выделяемые на основании особенностей репродуктивного аппарата, являются не только маркерами в изменчивости структуры вида по ареалу и стациям, но и маркерами, позволяющими анализировать степень разнокачественности популяции в процессах репродукции и исследовать механизмы формирования и поддержания биологического разнообразия на внутривидовом уровне.

Для листоверток основной механизм поддержания внутривидового разнообразия в системе репродуктивного поведения основан на хемокоммуникации. Поэтому, например, в пределах нормы реакции в выделении самками и восприятии самцами компонентов полового феромона и половой активности имаго выявлена дискретность характеристик полового поведения, как у отдельных особей, так и у фенотипов, как особых единиц популяции.

Особи одного вида различаются по стратегии адаптации в гетерогенной окружающей среде. У полиморфного вида различия в адаптациях связаны с определенными фенотипами, которые являются маркерами специализированной и генерализованной стратегий адаптаций, в том числе в процессе репродуктивного поведения. Например, фенотипы «А» и «Б» самцов всеядной листовертки маркируют насекомых-специалистов, фенотип «АБ» - генералистов. На популяционном уровне важную роль в поддержании разнообразия играет буферная система, существующая за счет большого количества насекомых-генералистов, которые могут быть основными «расселителями». При распространении бабочек на новые территории им важно найти особь противоположного пола, поэтому и восприятие феромона самцами фенотипа «АБ» более простое, чем у представителей двух других фенотипов.

Репродуктивное поведение самок включает не только привлечение самцов, но и поиск кормовых растений, подходящих для потомства, и процесс откладки яиц. При расселении самки откладывают яйца на разные виды кормовых растений. Фенооблик популяции зависит от питания определенным кормовым растением, в том числе и от биохимического изменения качества корма в течение сезона. Трофические связи между насекомыми-фитофагами и их потенциальным кормовым растением являются одним из главных факторов, влияющих на жизнедеятельность и отдельных особей, и целой популяции. Питание на определенном кормовом растении влияет на морфологию некоторых органов, связанных с репродуктивным поведением. В результате меняется количество сенсилл на антеннах имаго, размерность клеток феромонной железы. Питание гусениц определенным кормовым растением влияет и на биологические характеристики, в том числе на изменение массы куколок, скорость развития, меняя, таким образом, количество диапаузирующих гусениц. Насекомые с более специализированным питанием труднее переходят на новый корм. Всеядная листовертка способна расселяться и на стадии гусеницы, поэтому гусеницы менее специализированной части популяции (фенотип «АБ» - генотип Р¹Р²) легче переходят на различные корма, чем особи более специализированных генотипов Р¹Р¹, Р²Р² (фенотипы «А», «Б», «0»), что можно считать преадаптацией вида к возможным изменениям кормовой базы и окружающей среды.

Феромоны несут три основные биологические функции: на внутривидовом уровне благодаря им осуществляется встреча полов, на видовом уровне происходит видовая изоляция и на биоценотическом уровне формируется структура конкретного сообщества листоверток. Внутривидовая коммуникация между полами основана на тонкой настройке сигнала от самки и восприятии его самцом и связана с наличием микро- и макрокомпонентов. Для видовой изоляции в первую очередь важны макро-, меньше микрокомпоненты, а формирование определенной структуры сообщества листоверток определяется запахом некоторых макрокомпонентов.

Усложнение процесса хемокоммуникации в эволюции листоверток происходило за счет незначительных изменений в механизме биосинтеза феромона и выделения первоначально инактивируемых изомеров. Поэтому эволюционные тенденции в изменении составов феромонов в семействе листоверток шли в направлении уменьшении длины углеродной цепочки и включении транс-изомеров в качестве активных компонентов феромона.

Расширение фенотипической пластичности вида способствовало расширению ареала и обитанию вида в разнообразных стациях. Расширение мест распространения вида усилило роль хемокоммуникации, как «инструмента» межвидового общения в биоценозе и привело к её усложнению. При расселении на новые участки и во время длительного обитания в одном биоценозе вид находится в постоянном взаимодействии с другими видами, занимающими сходные экологические ниши. На видовом уровне половые феромоны листоверток являются составной частью комплекса факторов, которые поддерживают стабильность экосистемы на видовом уровне. Более того, феромоны могут быть важным фактором и играть заметную роль в процессе адаптации вида в самоорганизующейся системе сообщества листоверток. Феромонный фон сообщества листоверток в конкретном биоценозе, создаваемый доминирующим видом, может стимулировать двигательную активность самцов и самок других видов, что для самцов играет положительную роль, а для самок - отрицательную. Только что отродившиеся самки под влиянием феромонного фона разлетаются, либо снижают аттрактивность. У самцов повышается поисковая активность и снижается специфичность восприятия феромона своего вида. В результате этих разнонаправленных процессов, связанных с репродуктивным поведением, поддерживается относительная стабильность сообщества листоверток определенного биоценоза.

Стабильность как качественная определенность биологической системы базируется на внутри- и межвидовом разнообразии. Биологические системы, находящиеся в постоянном движении и развитии, сохраняют определенную форму существования, благодаря существованию ряда внутренних, присущих системе, и внешних механизмов. Одним из наиболее важных внутренних механизмов, определяющих особенности популяции, вида и сообщества является репродуктивное поведение.

ВЫВОДЫ

1. Впервые у всеядной, пестрозолотистой и тимофеечной листоверток исследован полиморфизм, связанный с морфологией репродуктивной системы. Всеядная листовертка при внешнем половом диморфизме по строению полового аппарата может быть дифференцирована на 4 фенотипа у самцов (А, Б, АБ, 0) и 4 - у самок (C, L, D, Z).

2. Ген, контролирующий признак «расположение и количество зубцов на эдеагусе», у самцов всеядной листовертки наследуется по типу моногенного диаллельного расщепления. Гомозиготный, по исследованным аллелям, генотип Р¹Р¹ морфологически проявляется как фенотип «А», генотип Р²Р² - как фенотипы «Б» и «0», гетерозиготный генотип Р¹Р² как фенотип «АБ». У самок фенотипическое проявление признака «вырост антрума» связано с полигенным наследованием.

3. Изменчивость в составе полового феромона у листоверток в панмиксической популяции определяется отношением микрокомпонентов феромона (цис- и транс-11-тетрадеценолов) к макрокомпонентам (цис- и транс-11-тетрадеценилацетатам) и зависит от генотипа самцов родительского поколения. В феромоне самок дочернего поколения от самцов фенотипа «АБ» доля микрокомпонентов выше, чем в потомстве самцов фенотипа «Б».

4. Фенотипическое разнообразие популяции полиморфного вида листоверток определяется различиями в половом поведении особей разных фенотипов. Самцы фенотипа «Б» активнее привлекаются аттрактантом, содержащим 0,5% цис-11-тетрадеценола, самцы фенотипа «А» - содержащим до 20% транс-11-тетрадеценола. Для самцов фенотипа «АБ» различия в привлекательности на все варианты аттрактантов не значительны.

5. Самцы разных фенотипов в норме обладают разной половой активностью - наиболее активны самцы фенотипа «Б», наименее - самцы фенотипа «А». Насекомые одного генотипа (Р²Р²), но разного фенотипа (фенотипы «Б» и «0»), реагируют на различные соотношения микрокомпонентов феромона, снижая внутрифенотипическую конкуренцию за самок.

6. Формирование родительских пар из особей одной кладки приводит к снижению успеха спаривания даже у наиболее активных самцов фенотипа «Б». Близкородственное скрещивание меняет соотношение микрокомпонентов феромона, увеличивая долю транс-11-тетрадеценола у самок дочернего поколения от самцов фенотипов «Б» и «АБ».

7. Самцы полиморфного вида характеризуются разной жизненной стратегией, в том числе по особенностям восприятия запаха компонентов феромона: гомозиготные фенотипы («А», «Б», «0») маркируют насекомых-специалистов, гетерозиготный («АБ») - насекомых-генералистов.

8. Феромонный фон усиливает двигательную активность имаго, в связи с чем является фактором поддержания видового разнообразия сообщества листоверток. Степень влияния феромонного фона на активность самцов и самок листоверток зависит от плотности популяции, гетерогенности территории и явления краевого эффекта.

9. Самки способны воспринимать запах полового феромона самок другого вида в первые сутки после отрождения. Самцы активизируют поисковое поведение самок своего вида под влиянием запаха макрокомпонентов феромонов доминирующих видов сообщества.

10. Эволюционные изменения в составе феромонов направлены на уменьшение длины углеродной цепочки от 16-ти к 12-ти членной и увеличении доли транс-изомерных соединений.

11. Кормовое растение личинки определяет особенности морфологии сенсорного аппарата, пищеварительного и репродуктивного органов, массу куколки, сроки развития и другие биологические характеристики, что отражается на фенотипическом составе популяции.

БЛАГОДАРНОСТИ

Я благодарен научному консультанту моей диссертации, заслуженному деятелю науки РФ, доктору биологических наук, профессору Нине Александровне Тамариной за неоценимую помощь, оказанную мне при подготовке рукописи; выражаю искреннюю благодарность доктору биологических наук, главному научному сотруднику Алексею Алексеевичу Панову, доктору биологических наук, профессору Белле Рафаиловне Стригановой и доктору биологических наук Нине Павловне Кривошеиной и всем сотрудникам лаборатории почвенной зоологии и общей энтомологии за ценные рекомендации по материалам диссертации и автореферата; работа не появилась бы без активного участия в сборах, обработке материала и обсуждения результатов с научным сотрудником, кандидатом биологических наук Татьяной Алексеевной Триселёвой и помощи в проведении полевых и лабораторных исследований главного специалиста подразделения Елены Евстафьевны Крючковой; исследование состава феромонов осуществлено при непосредственном участии доктора химических наук, главного научного сотрудника Виктора Ивановича Быкова; ряд материалов работы обсужден с кандидатом биологических наук Алексеем Михайловичем Куликовым, доктором биологических наук Мариной Владимировной Холодовой, за что я им бесконечно благодарен. Некоторые направления исследований были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 95-04-11389; 00-04-48756), государственной программой «Биологическое разнообразие» (грант 073), Программами Отделения биологических наук РАН «Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами» (грант 2.3.12) и «Биологические ресурсы России: фундаментальные основы рационального использования» (грант 2.2.19).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1. Шаров А.А., Сафонкин А.Ф., 1980. Сезонная динамика развития яиц и личинок обыкновенного соснового пилильщика Diprion pini (Hymenoptera, Diprionidae) // Энтомол. обозр. Т. 59. № 1. С. 73-77.

2. Сафонкин А.Ф., 1987. Инфраструктура популяции всеядной листовертки Archips podana Sc. (Lepidoptera: Tortricidae) в связи с приуроченностью к разным кормовым растениям // Докл. АН СССР. Т. 296. № 2 . С. 510-512.

3. Сафонкин А.Ф., 1987. Реакция самцов Archips podana (Lepidoptera,Tortricidae) на синтетический аттрактант в связи с полиморфизмом полового аппарата // Зоол. журн. Т. 66. № 9. С. 1423-1426.

4. Сафонкин А.Ф., Булеза В.В., 1988. Роль половых феромонов в межвидовой изоляции листоверток (Lepidoptera:Tortricidae) // Журн. общ. биол. Т. 49. № 3. С. 396-400.

5. Сафонкин А.Ф., 1988. Реакция самцов Archips podana и Laspeyresia pomonella (Lepidoptera,Tortricidae) при взаимодействии половых аттрактантов этих видов // Зоол. журн. Т. 67. № 9. С. 1423-1426.

6. Сафонкин А.Ф., 1989. Сложность состава феромонного сигнала и репродуктивная стратегия листоверток (Lepidoptera:Tortricidae) // Докл. АН СССР. Т. 309. № 6. С. 1502-1505.

7. Сафонкин А.Ф., 1990. Полиморфизм и экологическая пластичность всеядной листовертки Archips podana Sc. (Lepidoptera: Tortricidae) // Журн. общ. биол. Т. 51. № 3. С. 393-400.

8. Safonkin A.F., 1993. Ecological aspects of pheromone communication of leafrollers and spatial distribution of species // J. Appl. Entomol. V. 115. P. 441-453.

9. Сафонкин А.Ф., 1993. Структура и пространственное размещение полиморфного вида в гетерогенном биотопе // Докл. АН СССР. Т. 333. № 2. С. 268-270.

10. Сафонкин А.Ф., Быков В.И., 1995. Различия в реакции самцов полиморфного вида Archips podana (Lepidoptera: Tortricidae) на компоненты полового феромона // Зоол. журн. Т. 74. Вып. 7. С. 32-37.

11. Сафонкин А.Ф., 1998. Роль хемокоммуникации в поддержании полиморфизма популяции // Изв. АН. Серия биол. № 3. С. 404-407.

12. Сафонкин А.Ф., Триселёва Т.А., 1998. Влияние кормовых растений на биологию Archips rosana (Lepidoptera Tortricidae) // Зоол. журн. Т. 77. № 6. С. 696-699.