WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Салтыкова Елена Станиславовна

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ

К битоксибациллину в онтогенезе

насекомых Holometabola

03.00.04 биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Уфа 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук

Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН

Научный консультант:                доктор биологических наук, профессор

Николенко Алексей Геннадьевич

Официальные оппоненты:   доктор биологических наук, профессор

  Анисимов Анатолий Иванович

Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

  доктор биологических наук, профессор

  Ибрагимов Ринат Исмагилович

                                               Башкирский государственный университет

  доктор биологических наук, доцент

  Князева Ольга Александровна

Башкирский государственный медицинский университет

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится «___» __________200__ г.  в _______ часов

на заседании Объединенного Диссертационного совета ДМ 002.133.01

при ИБГ УНЦ РАН.

Адрес: 450054, Уфа, пр. Октября, 71, www.anrb.ru/molgen/dissov.html.

       

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского научного центра РАН

Автореферат разослан “__ “ ______________ 200_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук                               Бикбулатова С. М.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устойчивость насекомых к патогенным микроорганизмам и продуктам их жизнедеятельности обусловлена хитинизированными покровами, скоординированным взаимодействием биохимических механизмов с деятельностью клеточных структур гемолимфы, жирового тела и кишечника, выстланного перитрофической мембраной, а также особенностями структуры и функционированием генома.

К настоящему времени изучены и описаны основные биохимические защитные механизмы насекомых. Часть из них базируется на индукции протеолитических каскадов, приводящих к меланизации и коагуляции гемолимфы при ранении, а также продукции активных кислородных метаболитов и сигнальных молекул, в том числе участвующих в распознавании антигенов (Marmaras et al., 1996; Teopold et al., 2004; Ling, Yu, 2005; Jiravanichpaisal et al, 2006; Williams, 2007). Существуют системы, продуцирующие биологические восстановители и активированные глюкозиды, агглютинины с различной углеводной специфичностью, участвующие в процессах распознавания (Basseri et al., 2002; Галактионов, 2004; Ottaviani, 2005), и набор антимикробных пептидов, обуславливающих бактерицидные и фунгицидные свойства гемолимфы (Черныш, 1998; Львов, Николенко, 1999; Bulet et al., 2004). Защитная система, опосредованная клетками гемолимфы, участвует совместно с гуморальными факторами в фагоцитозе, синтезе антимикробных пептидов, а также в гистолизе и гистогенезе в процессе метаморфоза (Глупов, 2001; Гайфуллина и др., 2004). Таким образом, данные биохимические системы насекомых принимают участие не только в защитных процессах, но и регуляции онтогенеза, что, как считает ряд исследователей, обусловлено сугубо врожденными факторами (Leclerc, Reicchart, 2004).

Исследования последних лет опровергают сложившиеся представления о непреодолимой грани между врожденной и адаптивной защитной системой насекомых (De Gregorio et al., 2001; Eason et al., 2004). Основная проблема заключается в том, что до сих пор биохимические механизмы устойчивости насекомых к патогенным микроорганизмам изучались без учета их метаболической взаимозависимости и онтогенетических особенностей функционирования. В то же время наличие адаптивного ответа у насекомых допускает возможность существования специфичных и долговременных  биохимических защитных реакций. Эти процессы должны быть связаны с онтогенетическими особенностями насекомых, поскольку личинка кардинально отличается от взрослой особи. Они, как правило, занимают разные экологические ниши, имеют различную пищевую специализацию, а также продолжительность существования, что может играть важную роль в функционировании биохимических механизмов и факторов, опосредованных гемоцитарной защитой.

Следует отметить, что для изучения перечисленных аспектов необходима новая модель эксперимента. Она должна базироваться на изучении динамики общих биохимических и клеточных защитных реакций насекомых на начальном этапе инфекционного процесса, использовании патогенного препарата общего типа действия (для чего был использован битоксибациллин), естественном способе заражения насекомых, применении патогена в дозировках и степени вирулентности, не вызывающих глубоких патологических изменений в организме насекомого, а также с учетом стадий онтогенеза. Эти особенности модели не всегда учитывались в исследованиях последних лет (Ekengren, Hultmark, 2001; Tzou et al., 2001; Zambon et al, 2005; Sorensen et al, 2005).

Энтомопатогенные кристаллофорные бактерии Bacillus thuringiensis антагонистичны для многих видов насекомых. На основе различных штаммов Bac. thuringiensis создан широкий спектр микробиологических препаратов, в том числе битоксибациллин, который содержит жизнеспособные споры бактерий и продуцируемый ими экзотоксин (Смирнов и др., 1982; Кандыбин, 1989). Практика применения данного препарата в системе защиты от насекомых-вредителей способствует появлению устойчивых особей с эффективными механизмами распознавания и элиминации патогенных бактерий.

Не менее важны онтогенетические и другие условия функционирования биохимических защитных механизмов и для прикладных исследований. В процессе поиска и практического применения, биологически активных в отношении насекомых веществ, часто не учитываются условия формирования защитных реакций, предшествующие контролируемой стадии эксперимента. Это замечание можно отнести к изучению южных подвидов медоносной пчелы, интродуцированных в климатические условия средней полосы России. По аналогичной причине пока не увенчались успехом попытки разработки препаратов на основе хитозана для пчеловодства (Албулов, 2008).

Ранее в исследованиях биохимических защитных механизмов насекомых, как правило, использовались иные методологические подходы, связанные с инъекционными способами введения и/или заведомо высокими концентрациями препаратов. На фоне торможения защитных реакций сформировалось представление о неспособности насекомыми формировать адаптивный ответ (Флоренсов, Пестова, 1990; Vidal et al., 2001; Hultmark, 2003). Сохраняются суждения об исключительной роли отбора особей с наиболее успешной реализацией защитных систем в возникновении устойчивых популяций насекомых. Роль иммунизации при этом считается несущественной, в том числе в силу малой продолжительности жизни насекомых.

Результаты отдельных исследований можно рассматривать как принцип формирования адаптивного ответа к конкретному патогену (Kurtz, 2005; Gaifullina et al., 2005). Более того, в последние годы появились сообщения, свидетельствующие о трансгенерационной передаче индуцированного адаптивного ответа у общественных насекомых, высказываются предположения о возможных механизмах данного явления (Moret, Schmid-Hempel, 2000; 2001; Sadd et al., 2005). Тем не менее, до сих пор не раскрыты онтогенетические условия формирования подобного феномена, возможно, раскрывающего исключительные возможности насекомых к формированию широкого спектра устойчивости в короткий эволюционный период (Марков, 2006; Колчанов, 2007).

Таким образом, изучение вопросов онтогенетических и внутривидовых особенностей реализации биохимических защитных реакций, метаболической взаимозависимости компонентов данных систем, возможности преадаптации насекомых, условий формирования долговременных биохимических защитных реакций и возможности их трансгенерации может изменить общее представление о механизмах биохимической устойчивости насекомых к неблагоприятным факторам среды, обеспечивающих адаптивную пластичность видов класса Insecta.

       Цель данной работы заключалась в выявлении онтогенетических закономерностей реализации биохимических защитных механизмов при действии битоксибациллина у насекомых с полным типом превращения. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

  1. Разработать новую модель эксперимента для изучения экзогенных воздействий на насекомых, охарактеризовать на этой основе реализацию основных биохимических защитных реакций насекомых, в том числе определить временные рамки фаз их развития.
  2. Определить онтогенетические особенности формирования биохимических защитных реакций насекомых при действии битоксибациллина.
  3. Выявить внутривидовые особенности формирования биохимических защитных реакций и оценить возможность использования биохимических параметров для характеристики состояния пчелиных семей.
  4. Оценить возможность иммунизации насекомых и их способность к развитию долговременной иммунной памяти на основе биохимических защитных механизмов, особенностей их онтогенетического формирования.
  5. Охарактеризовать онтогенетические особенности влияния биологически активных для насекомых веществ на функционирование биохимических механизмов защиты и перспективы их применения в качестве адаптогенов.
  6. Оценить влияние критических периодов в онтогенезе насекомых на активацию биохимических защитных систем и долговременность их реакции.
  7. Определить роль критических периодов в проявлении эффекта трансгенерации биохимических защитных реакций в ряду поколений насекомых.

Научная новизна. Выявлена тесная взаимосвязь антиоксидантной и фенолоксидазной систем в формировании начального этапа реализации защитных реакций у насекомых. Выявлены онтогенетические различия в проявлении  биохимических защитных реакций и их связь с клеточными структурами гемолимфы насекомых. Это проявляется в преобладании на личиночной стадии неспецифических, а на имагинальной - специфических биохимических механизмов. Доказана возможность преадаптации насекомых воздействием нелетальными дозами битоксибациллина, выражающейся в стимулирующем влиянии на развитие защитных реакций и повышении выживаемости в целом. Показана возможность применения  хитозана в качестве адаптогена для медоносной пчелы. Выявлена возможность формирования долговременной иммунной памяти насекомых. Показана значимость критических периодов онтогенеза насекомых в формировании долговременных защитных реакций, связанных с фазами стадий развития. Фенолоксидазная и антиоксидантная системы, участвующие в реализации устойчивости насекомых, многократно повышают свою активность при воздействии бактериальным препаратом в критические периоды развития. Показано, что индуцированная активность защитных реакций у личинок насекомых воспроизводится на последующих этапах онтогенеза, а также в последующих двух поколениях на той же стадии развития насекомого без дополнительного влияния индуцирующего фактора.

Практическая значимость. Получены данные по высокой биологической активности хитозана в отношении хозяйственно значимых насекомых, которая выражается в преадаптивном действии и во влиянии на скорость морфогенетических процессов, что было показано на медоносной пчеле и колорадском жуке. Применение хитозана в пчеловодстве или в области защиты растений рекомендовано с учетом нового регламента, основанного на четком определении физиологического статуса и стадий развития насекомых. Обоснована возможность использования начального этапа реализации биохимических защитных реакций в качестве тест-системы для диагностики состояния пчелиных семей. На основе выявленных внутривидовых различий у медоносной пчелы в характере развития биохимических защитных реакций предложены биохимические критерии в качестве показателей адаптированности пчелиной семьи к климатическим условиям Урала.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Стадия онтогенеза и начальный этап воздействия битоксибациллином являются значимым моментом в определении преимущественного типа реализации биохимических реакций насекомых. Нейтрализация сублетальных доз патогенного препарата происходит за счет реактивации биохимических защитных систем, высоких доз битоксибациллина – посредством реакции защитного торможения биохимических процессов.
  2. Воздействие битоксибациллином в сублетальной концентрации оказывает на насекомых иммунизирующее действие и способствует формированию, как кратковременных биохимических защитных реакций, так и долговременной иммунной памяти у продолжительно живущих особей. Иммунизация насекомых вносит вклад в развитие общей устойчивости популяций наряду с действием отбора.
  3. Ключевыми моментами онтогенеза у насекомых с полным типом превращения являются критические периоды при переходе от личиночной стадии развития к куколке и от куколки к имаго. Критические периоды онтогенеза у насекомых характеризуются перестройкой многих функциональных систем организма, повышенной реактивностью биохимических защитных реакций и более высокой чувствительностью к внешним воздействиям.
  4. Активность факторов защитных реакций, индуцированная в критические периоды онтогенеза, у личинок насекомых воспроизводится как на последующих этапах онтогенеза, характеризуя наличие долговременной иммунной памяти, так и в последующих поколениях насекомых на той же онтогенетической стадии, подтверждая трангенерационный эффект передачи индуцированных биохимических механизмов.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференциях «Изучение, рациональное использование природных ресурсов», (Уфа, 1991), «Biologically Active Polysaccharides», (Oslo, 1998), «Актуальные проблемы современной биохимии и биотехнологии», (Челябинск, 1999), 6th European Training Course on Carbohydrates, (Hungary, 2000), 4th Carbohydrate Bioengineering Meeting, (Stockholm, 2001), VI Международной конференции «Биоантиоксидант» (Москва, 2002), «Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2002), на XII съезде Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, 2002), на III съезде Всероссийского Общества Генетиков и Селекционеров (Москва, 2004), на Межрегиональном совещании энтомологов Сибири и Дальнего Востока, (Новосибирск, 2006), на IX Всероссийском популяционном семинаре «Особь и популяция – стратегия жизни» (Уфа, 2006), на Международной конференции «Current Evolutionary Thinking in Biology, Medicine and Sociology» (Новосибирск, 2007), на XIII съезде Русского энтомологического общества (Краснодар, 2007), на III съезде Биохимического общества (С.-Петербург, 2002) и IV съезде Российского общества биохимиков и молекулярных биологов (Новосибирск, 2008), на IX Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Ставрополь, 2008).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 22-х научных статьях, в том числе 16 в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, характеристики объектов и методов исследований, экспериментальной части, результатов и обсуждения, заключения, выводов и списка используемой литературы (452 работы, в том числе 308 зарубежных). Работа изложена на 363 страницах, содержит 42 таблицы и 61 рисунок.

Личное участие автора в получении научных результатов. Личный вклад автора заключается в разработке идеи работы, в постановке и проведении экспериментов, в статистической обработке и интерпретации полученных результатов.

Благодарность. Выражаю благодарность коллегам по лаборатории биохимии адаптивности насекомых за конструктивные замечания, помощь и поддержку в выполнении данной работы.

Объекты и методы исследований.

В качестве объектов исследований были использованы одновозрастные личинки, куколки и имаго колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say. из природной популяции и комнатной мухи Musca domestica L. лабораторной линии Cooper, рабочие особи темной лесной Apis mellifera mellifera L. и серой горной кавказской Apis mellifera caucasica Gorb. медоносной пчелы, доставленные с пасеки республики Башкортостан. Условия содержания насекомых соответствовали специальным методикам ведения лабораторной культуры колорадского жука (Беньковская, 2001), медоносной пчелы и комнатной мухи (Салтыкова, 2000). Обработка биологических объектов адаптогенами (хитозан и аскорбиновая кислота), а также модельное воздействие в лабораторных условиях на насекомых битоксибациллином (БТБ), представляющим спорокристаллический препарат на основе Bacillus thuringiensis var. thuringiensis, проводили по методикам, разработанным Е.С. Салтыковой (2000), Л.Р. Гайфуллиной (2004). В экспериментах использовали гемолимфу, гомогенаты кишечника, нервных ганглиев, жирового тела, мышечной массы или целый гомогенат насекомого в зависимости от поставленных экспериментальных задач. Повторность экспериментов была не менее трех раз. Опыты включали по 3 биологических и аналитических повтора.

Приготовление клеточных препаратов гемолимфы производили фиксированием мазков 96%-ым этанолом и окрашиванием по методу Романовского-Гимзы (Кост, 1957). Типы форменных элементов гемолимфы определяли по классификации М.И. Сиротиной (1961). Титр и углеводную специфичность гемагглютининов гемолимфы насекомых определяли по D.Stynen (1982). Спектрофотометрическое измерение фенолоксидазной (ФО) активности проводили по Е.Ю. Животенко (1987), пероксидазной (ПО) активности – по А.Н. Бояркину (1951). Активность каталазы измеряли по методу В.М. Мерщиева [1990]. Активность супероксиддисмутазы (СОД) определяли по С. Чевари (1985). Активность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФДГ) измеряли по Н.В. Алексахиной (1979), удельную активность выражали в мкМ/мин/мг белка. Активность протеиназ и ингибиторов протеиназ (ИП) проводили по S. Saul, M. Sugumaran (1986), выражали в ед.акт./мин/мг белка. Количество ТБК (тиобарбитуровой кислоты) - реагирующих продуктов (МДА – малоновый диальдегид) определяли по Д.И. Стальной и др. (1977) и выражали в нМ/г ткани. Активность кислой фосфатазы (КФ) оценивалась по скорости гидролиза 2-нафтилфосфата (Филиппова, 1985). Содержание гликозоаминогликанов (ГАГ) определяли по П.Н. Шараеву (1987) в мг/г ткани. Активность тирозиназы, дифенолоксидазы (ДФО), супероксиддисмутазы и пероксидазы выражали приростом оптической плотности в минуту, в перерасчете на концентрацию белка (ед.акт./мин/мг белка), удельную активность каталазы выражали в нМ/мин/мг белка. Концентрацию белка определяли по О. Лоури (Lowry et al., 1951). Электрофорез молекулярных форм фенолоксидазы проводили в 7,5% полиакриламидном геле по системе B. Davis (1962). Выявление ферментативной активности на электрофореграммах осуществляли по Г.Ю. Раушенбах (1997).

Статистический анализ полученных данных проводили с использованием среднеарифметического значения, ошибки средней, доверительного интервала, дисперсионного анализа с применением критерия Фишера и непараметрического критерия Краскела-Уоллиса. Достоверность различия средних определяли по t-критерию Стюдента (Лакин, 1990). Статистическая обработка результатов проводилась с использованием компьютерных программ StatSoft (Statistica 6.0).

Основные результаты и их обсуждение

1. Биохимические защитные реакции насекомых на начальном этапе развития инфекционного процесса

       К настоящему времени сведения об особенностях функционирования защитных систем у насекомых имеют фрагментарный характер и отражают ограниченную феноменологию этих процессов (Magalhaes et al., 2008; Aggarwal et al., 2009). Наличие высокоразвитой антимикробной врожденной защиты, а главное, особенности развития биохимических процессов в первые сутки, значимость скорости развития защитных реакций и взаимосвязь систем, обеспечивающих первичный ответ при внедрении патогена, зачастую оставались за пределами внимания исследователей. Битоксибациллин был выбран в качестве препарата широкого энтомопатогенного действия с довольно устойчивыми характеристиками при применении его в лабораторных условиях. Многолетние лабораторные исследования позволили выявить определенные закономерности в реакциях насекомых при применении данного бактериального препарата (Салтыкова, 2000). При этом определенные особенности воздействия данного препарата более наглядно могли быть продемонстрированы на насекомых с полным типом превращения. С этой целью для определения фаз развития защитных реакций у различных представителей наиболее эволюционно молодых отрядов насекомых была разработана лабораторная модель воздействия бактериальным препаратом. Было отработано воздействие на насекомых разными концентрациями битоксибациллина для выявления реакций ферментативных систем, которые входят в систему защитных реакций насекомых при действии экзогенных факторов. Были выявлены определенные фазы реализации биохимических защитных реакций, характер их реагирования (Табл. 1).

Таблица 1

Схема развития защитных реакций у медоносной пчелы при действии БТБ

0ч         1ч               4ч               6ч        24ч 48ч

Состояние

патогена

Попадание спор в полость кишечника

Начало

прорастания

спор

Завершение образования вегетативных клеток, начало выделения токсинов

Нарастание количества вегетативных клеток патогена. Увеличение количества выделяемых токсинов

Изменение клеток гемолимфы

Увеличение доли веретеновидных фагоцитов

Уменьшение доли макро-нуклеоцитов и эозинофилов

Увеличение доли делящихся прогемоцитов, фагоцитирующих клеток, эозинофилов и эноцитоидов

Состояние биохимии-ческих показате-лей

ФО

каталаза  \

ПО  \

Г6ФДГ  \

протеазы \

ИП \

ГАГ \

МДА \

протеазы 

МДА /

ГАГ  /

ПО =

ФО  \

Г6ФДГ  \

каталаза  \

каталаза  /

ИП  /

Г6ФДГ /

ПО =

ФО =

протеазы  \

МДА \

ГАГ  \

протеазы/

Г6ФДГ /

МДА  /

ФО /

ПО  \

ИП  \

ГАГ  \

каталаза¬

ФО +

МДА /

ИП  /

протеазы  /

Г6ФДГ \

ГАГ  \

каталаза  \

ПО  \

ФО  +

МДА  /

ИП /

протеаз/

Г6ФДГ\

ГАГ \

катал. \

ПО \

Фазы реализации защитных реакций

Период

неспецифи-ческой защитной

реакции

Латентный период

Начало

запуска

специализи-рованных реакций

Нарастание специализи-рованных реакций

Стабиль-ное развитие реакций

Период, опреде-ляющий адапта-цию

0ч         1ч         4ч                6ч       24ч         48ч

Примечание: - пик активности, + - устойчиво высокая активность, / - рост активности;

= - активность на уровне контроля, \ - спад активности, ¬ - устойчиво низкая активность.

Установлено, что необходимым условием для инициации защитных процессов, не связанных с развитием патологии в течение первых суток, является применение нелетальных концентраций. Именно при таких условиях были выявлены определенные принципы реализации защитных реакций. Обработка личинок колорадского жука БТБ вызывает нарастание числа веретеновидных фагоцитирующих клеток, что подтверждает полученные ранее результаты на других видах насекомых (Сиротина, 1961; Рагялис, 1982). При этом повышается активность антиоксидантных ферментов. Кроме того, у личинок колорадского жука гемоцитарный ответ на битоксибациллин (0,1%) выражается двукратным увеличением процента эноцитоидов, клеток продуцирующих гуморальные факторы. Повышение интенсивности дифференцировки эноцитоидов, продуцирующих биохимические факторы защиты, в том числе фенолоксидазы и агглютинины, в течение первых суток развития инфекции достоверно подчеркивает значимость гуморальных факторов у личинок в данный период. Внедрение чужеродных агентов в короткий срок индуцирует в организме насекомых комплекс скоординированных клеточных и, опосредованных ими, биохимических защитных реакций (Глупов, 1992; Gillespie, Kanost, 1997).

В гемолимфе в течение суток наблюдали значительные изменения в активности пероксидазы (к 1 часу развития процесса активность фермента увеличивалась почти в 100 раз). Каталаза снижала свою активность к 4 часам от начала заражения, а к концу вторых суток ее активность увеличивалась почти в 5 раз, что свидетельствует о возрастании значимости антиоксидантных процессов (Рис. 1). Активность тирозиназы от начала действия битоксибациллином постепенно снижалась к концу первых суток почти в 10 раз. Судя по всему, наиболее задействованы в защитной реакции биохимические факторы клеточных элементов гемолимфы, и это в значительной степени происходит к концу первых суток после воздействия бактериальным препаратом.

Что же касается кишечника, активность пероксидазы значительно возрастала в течение первого часа действия препарата, второй период роста активности начинался от 4 часов (Рис. 1). Рост активности каталазы начинался несколько раньше, от 2 часов. Рост активности дифенолоксидазы до уровня контроля наблюдали от 4 часов и до конца первых суток. К концу первых суток нарушается сбалансированное взаимодействие двух антиоксидантных ферментов в самом кишечнике и в кишечном секрете личинок.

Рис. 1. Изменение активности ферментов антиоксидантной  и фенолоксидазной систем в гемолимфе и кишечнике у личинок 3 возраста колорадского жука при действии БТБ (данные приведены относительно контроля);  достоверное отличие опыта от контроля (Р>0,95), активность ферментов выражена в ед.ак./мин/мг белка

У личинок комнатной мухи начала третьего возраста, обработанных 0,01% БТБ фиксировали изменение активности ферментов антиоксидантной и фенолоксидазной систем в течение первых суток в гемолимфе. От начала эксперимента активность тирозиназы к 1 часу в 5 раз превышала контрольный уровень (Рис. 2). Активность пероксидазы снижалась незначительно в течение первого часа, превышая контрольный уровень почти в 2 раза и образуя пик активности (3,5 раза по отношению к контролю) к 2 ч от начала действия бактериального препарата. Рост активности каталазы приходится на время снижения активности пероксидазы, а спад активности приходится, наоборот, на период роста активности пероксидазы.

Очевидно, что согласованная активация данных систем направлена на формирование куколочных покровов (Салтыкова, 2003). А достоверное сокращение сроков развития личинок косвенно подтверждает адаптивный характер происходящих изменений на уровне организма.

Рис. 2. Активность ферментов фенолоксидазной и антиоксидантной систем в гемолимфе у личинок Musca domestica в начале 3 возраста при действии БТБ (данные приведены относительно контроля);  достоверное отличие опыта от контроля (Р>0,95).

В лабораторных условиях битоксибациллин (0,5%), скормленный пчелам вместе с сиропом per os, как энтомопатогенный препарат, оказывал определенное воздействие на насекомых. Это требует соответственно быстрой перестройки внутренних систем для адекватного ответа, вызывая значительное функциональное напряжение. Снижение степени воздействия битоксибациллина при остальных равных условиях (продолжительность воздействия, возраст организма и др.) будет вызывать меньшую степень повреждений и тип направленности метаболических процессов с начала действия фактора. Для выявления внутривидовых различий на начальной стадии процесса, вызываемого действием различных концентраций БТБ (0,01% и 0,5%), использовались подвиды медоносной пчелы Apis mellifera mellifera L. и Apis mellifera caucasica Gorb. с пасек Башкирского госагроуниверситета.

В максимальной концентрации активность Г6ФДГ у темной лесной пчелы в 4 раза превышала активность фермента у серой горной кавказской пчелы к 1 часу от начала развития защитных реакций (Рис. 3). При этом, если у темной лесной пчелы с повышением концентрации БТБ наблюдалось снижение уровня активности фермента, то у серой горной пчелы, напротив, активность возрастала. Повышение активности Г6ФДГ при действии на темную лесную пчелу минимальной концентрации БТБ может свидетельствовать о повышении уровня активности окислительно-восстановительных процессов, нуждающихся в НАДФН2 (фенолоксидазный каскад, система цитохрома Р-450 и т.д.) (Tzou et al., 2001; Zambon et al., 2005). К 1 часу от начала действия 0,01% БТБ на темную лесную пчелу также наблюдалось превышение активности пероксидазы в 2,5 раза по отношению к контролю, чем в концентрации 0,5%. Уровень содержания ГАГ у темной лесной пчелы в действующей концентрации БТБ 0,01% постепенно нарастал, особенно на отрезке от 4 до 24 часов. И незначительно изменялся в пределах контрольного уровня при повышенной концентрации. У темной лесной пчелы в концентрации 0,5% к 1 часу содержание ГАГ резко снижалось, повышаясь до контрольного уровня к 4 часам и далее.

Рис. 3. Изменение биохимических показателей у Apis mellifera mellifera при действии БТБ в зависимости от концентрации (данные приведены относительно контроля); 1 – 0,01% БТБ, 2 – 0,5% БТБ.  достоверное отличие опыта от контроля (Р>0,95).

По-видимому, в низкой концентрации у темной лесной пчелы репаративные процессы преобладают над деструктивными, в концентрации 0,5% уровень многих процессов снижается в соответствии с принципом защитного торможения (Мелехов, 1992) и реакции, обеспечивающие восстановительные процессы, начинают активироваться к концу суток. У серой горной пчелы эти процессы запаздывают на сутки (Рис. 4).

В отношении тирозиназы у всех пчел наблюдалась одна и та же тенденция: с возрастанием концентрации битоксибациллина достоверно увеличивалась удельная активность данного фермента, что отличало ее от других выше рассмотренных процессов. При этом темные лесные пчелы по скорости и уровню развития реакции достоверно превосходили серых горных пчел.

Вероятно, это связано с тем, что тирозиназа принимает участие в процессах обеспечивающих распознавание и интернализацию патогена с фагоцитирующими клетками. Участие данного фермента в распознавании ранее было показано исследователями на других видах насекомых (Ashida, 1983; Teopold et al., 2004). Учитывая все вышеизложенное, можно полагать, что у серой горной кавказской пчелы перестройка в режим энергосбережения и перераспределения внутренних ресурсов происходит с некоторым запаздыванием (как правило, к концу первых суток), что во многом может определять уязвимость серой горной пчелы и более высокую устойчивость темной лесной пчелы в данных климатических условиях. Очевидно, что повреждения, вызванные сублетальными концентрациями препарата, эффективно снимаются преимущественно при интенсификации метаболизма, в случае высоких концентраций для последующей ликвидации повреждений в основном наблюдается снижение уровня метаболических процессов.

Рис. 4. Изменение биохимических показателей у Apis mellifera caucasica при действии БТБ в зависимости от концентрации (данные приведены относительно контроля); 1 – 0,01% БТБ, 2 – 0,5% БТБ.  достоверное отличие опыта от контроля (Р>0,95).

Таким образом, выбор стратегии реализации защитных реакций у рассматриваемых видов насекомых в зависимости от интенсивности действующего фактора определяется в течение первых суток. Он отражает элементы общности в развитии защитных процессов (увеличение количества фагоцитирующих клеток, взаимодействие фенолоксидазной и антиокислительной системы при воздействии БТБ), но в то же время демонстрирует функциональный полиморфизм компонентов защитных систем на видовом и подвидовом уровне.

2. Онтогенетические и внутривидовые различия в формировании биохимических защитных реакций насекомых

Функциональные особенности защитных реакций насекомых складывались как результат приспособления к конкретным условиям жизни вида, то же самое касается и онтогенетических стадий развития (Cui et al., 2000; Housseaw et al., 2001; Dash et al., 2008). Стратегия формирования защитного ответа у разных по времени развития стадий онтогенеза может отличаться, как и принципы реализации защитных реакций внутри вида, способствуя расширению видового ареала.

При воздействии БТБ на насекомых на разных стадиях онтогенеза в организме особей наблюдался рост титра гемагглютининов. Титр агглютининов в гемолимфе колорадского жука изменялся в онтогенезе, увеличиваясь к имагинальной стадии (Табл. 2). Причем с увеличением концентрации препарата увеличивалась и скорость изменения агглютинирующей активности гемолимфы. Наиболее интенсивный рост титра гемагглютининов регистрировался при действии нелетальной и пятикратно увеличенной концентрации БТБ у личинок 4 возраста и перезимовавших имаго. Необходимо отметить, что гемагглютинины L. decemlineata на всех стадиях онтогенеза проявляли сходную углеводную специфичность, связываясь только со сложными олиго- и полимерными сахарами - сульфатированным полисахаридом гепарином, хитозаном со степенью полимеризации 15 и гиалуроновой кислотой (ГУК).

Таблица 2

Титры агглютининов гемолимфы в онтогенезе L. decemlineata на начальном этапе развития инфекции при действии БТБ

Возраст

Контроль

0,1%БТБ

0,5% БТБ

2 ч

4 ч

24 ч

2 ч

4 ч

24 ч

личинки 3 возраста

64

64

64

64

64

64

128


личинки 4 возраста

512

512

512

1024

2048

4096

4096


куколки

256

256

256

512

256

512

512


имаго 1G

1024

1024

1024

1024

1024

2048

256


имаго W

1024

2048

2048

2048

2048

4096

4096


       Имаго 1G – имаго 1-ой генерации, имаго W – перезимовавшие имаго

При всем том гемагглютинины L. decemlineata не обладали сродством к N-ацетил-D-глюкозамину (NAGA) – ацетилированной структурной единице хитозана. Очевидно, для связывания гемагглютининами L. decemlineatа углевод должен обладать достаточной молекулярной массой или дополнительными связями. При действии БТБ у личинок 4 возраста и перезимовавших имаго минимальная ингибирующая концентрация ГУК не изменялась, тогда как у хитозана и гепарина она увеличивалась вдвое. Данное наблюдение говорит не только об увеличении количества агглютининов в гемолимфе имаго колорадского жука, имеющих сродство к хитозану и гепарину, но и о включении специфических по отношению к БТБ механизмов защиты, поскольку токсины, нарабатываемые B. thuringiensis, имеют в своем составе сходные с хитозаном гликозидные фрагменты (Dulmage, Rhodes, 1971). При действии БТБ у личинок 3 возраста наблюдались увеличения дифенолоксидазной и каталазной активности. Начальный этап действия БТБ у 1-суточных личинок 4 возраста сопровождался повышением уровня активности тирозиназы и пероксидазы, а в середине 4-го личиночного возраста – увеличением активности всех рассматриваемых ферментов. Первые часы действия препарата у имаго L. decemlineatа сопровождались некоторым снижением уровня активности фенолоксидаз и повышением пероксидазной активности в гемолимфе (Рис. 5). Активность каталазы не имела достоверных различий с контрольным уровнем. В рассматриваемых нами системах гуморального ответа, согласно литературным данным, можно выделить два механизма защиты: неспецифический – дифенолоксидазная, каталазная и пероксидазная активности гемолимфы, и специфический – агглютинирующая и тирозиназная активности гемолимфы (Marmaras et al., 1996; Nakamura et al., 2001; Сухорукова, 2002).

Рис. 5. Динамика активности ферментов фенолоксидазной (ФОС) и антиокислительной (АОС) систем в гемолимфе имаго L.decemlineata при действии БТБ. Данные нормированы по контролю. * - достоверное отличие опыта от контроля (Р>0,95).

  дифенолоксидаза, тирозиназа,  каталаза, пероксидаза 

С данной точки зрения можно заключить, что на начальном этапе развития защитных реакций у колорадского жука на стадии личинки 3 возраста преобладают неспецифические механизмы, а у половозрелого имаго – специфические. В гуморальном ответе личинки 4 возраста представлены как неспецифические, так и специфические механизмы защиты. Вероятно, это связано с тем, что у колорадского жука личинка 4 возраста занимает относительно длительный период развития, с течением которого в защитном ответе личинки начинают работать элементы специфической защиты – тирозиназа и агглютинины.

Действие БТБ вызвало у личинок колорадского жука 3 и 4 возраста достоверное повышение процента защитных клеток гемолимфы (Рис. 6). Различие в доле веретеновидных фагоцитов обусловлено, скорее всего, различным процентным соотношением гемоцитов данного типа у личинок 3 и 4 возрастов в норме, так как к 24 часам развития защитной реакции в обоих вариантах процент активных фагоцитов увеличивается в 1,7 раза. Доля эноцитоидов, напротив, нарастает с различной интенсивностью у личинок 3 и 4 возрастов: если у первых к 24 часам развития инфекции процент эноцитоидов возрастает вдвое, то у вторых – втрое.

А

Б

Рис. 6. Доля веретеновидных фагоцитов (А) и эноцитоидов (Б) у личинок 3 возраста и 3-х суточных 4 возраста L.decemlineata на начальном этапе развития инфекции. * - различие опыта и контроля достоверно, Р>0,95.

личинки 3 возраста,  личинки 4 возраста

Таким образом, у личинок на начальном этапе развития защитных реакций с возрастом достоверно увеличивается интенсивность гемоцитарной дифференциации в направлении клеток, вырабатывающих факторы гуморального иммунитета. Характер гемоцитарной реакции куколки на обработку нелетальной дозой БТБ отличается от личиночной некоторым снижением доли веретеновидных фагоцитов. Действие 0,1% БТБ на 10 суточных имаго 1 генерации вызвала резкое увеличение процента веретеновидных фагоцитов. При этом доля сферулоцитов и эноцитоидов постепенно уменьшалась к 24 часам развития инфекции.

Приспособленность темной лесной пчелы к суровым природно-климатическим условиям может определяться уровнем и последовательностью проявления активности различных ферментов и набором физиолого-биохимических реакций, которые могут отличаться от таковых у серой горной кавказской пчелы. Действие бактериального препарата, вызывая видимые изменения кишечника и клеточного состава гемолимфы, должно вызывать закономерные изменения метаболических процессов. У темной лесной пчелы рост удельной активности Г6ФДГ начинался к 4 часам (Табл. 3). Уровень активности каталазы у всех пчел был достаточно высок, поэтому на этом фоне изменения активности были незначительны.

Таблица 3

Изменение биохимических показателей у рабочих пчел Apis mellifera mellifera и Apis mellifera caucasica при действии 0,05% битоксибациллина

Варианты

1 час

4 часа

24 часа

Пчелы Ap.m.

mellifera

Пчелы

Ap.m.

caucasica

Пчелы Ap.m.

mellifera

Пчелы

Ap.m.

caucasica

Пчелы Ap.m.

mellifera

Пчелы

Ap.m.

caucasica

Г6ФДГ

0,97

4,67

2,24

8,4

1,09

5,87

Каталаза

0,88

1,01

0,89

0,98

0,97

0,98

Пероксидаза

1,09

0,61

1,29

1,26

1,19

0,77

Уроновые

кислоты

0,98

2,61

0,93

1,71

1,68

2,08

ДФО

0,88

0,74

1,22

0,95

1,22

0,58

Тирозиназа

1

0,81

1,07

1,24

2,79

2,71

КФ

2,39

0,69

3,28

0,34

2,07

0,76

Эстеразы

0,71

0,75

0,91

0,65

1,04

0,75

Протеазы

0,22

0,57

0,3

0,34

0,32

0,32

данные нормированы по контролю, темным фоном отмечено недостоверное отличие от контрольного уровня, Р 95%; активность Г6ФДГ, каталазы, КФ и эстеразы измеряли в мМ/мин/мг белка; пероксидазу, ДФО, тирозиназу и протеазы – в ед.ак./мин/мг белка; уроновые кислоты - в мг/г ткани

Небольшие различия в активности пероксидазы были отмечены к 1 часу, наиболее высокий уровень отмечали у темной лесной пчелы. По уровню дифенолоксидазной активности на начальной стадии воздействия БТБ наблюдались существенные различия между подвидами; наиболее высокий уровень удельной активности отмечался у темной лесной пчелы. Наибольшие различия наблюдали по уровню активности кислой фосфатазы, более высокий уровень активности в течение первых 4 часов был у темной лесной пчелы с последующим снижением к концу суток, и наоборот, самый низкий был у серой горной пчелы. Самый высокий уровень содержания ГАГ наблюдали у темной лесной пчелы и низкий у серой горной пчелы.

При первичном действии на пчел 0,05% БТБ количество прогемоцитов у темной лесной пчелы было относительно стабильным в течение суток и составляло около 80% от общего числа клеток гемолимфы, из которых 20% составляли делящиеся прогемоциты (Рис. 7 А). Постепенно увеличивался процент веретеновидных фагоцитов, в начале эксперимента они составляли всего лишь 2%, но к 4 часам количество их возросло до 16%, уменьшаясь к концу 1 суток почти вдвое. Количество прогемоцитов у серой горной пчелы в начале эксперимента несколько превышало 80% (Рис. 7 Б). У серой горной пчелы к 1 часу от начала эксперимента снижается количество амебоидных фагоцитов (от 9% до 1%) и пропорционально увеличивается количество веретеновидных фагоцитов.

А

Б

Рис. 7. Изменение гемограммы у пчел Ap. m. mellifera (А) и Ap. m. caucasica (Б) при действии  0,05% битоксибациллина; Мкц-макронуклеоциты, Эоз- эозинофилы; Вер.фгц- веретеновидные фагоциты, Ам.фгц-амебоидные фагоциты, Дпг-делящиеся прогемоциты, Пг-прогемоциты

Таким образом, нелетальные дозы патогенного препарата вызывают у насекомых активную гуморальную реакцию с участием специфических гемагглютининов и фенолоксидазной и антиокислительной систем на начальном этапе защитного процесса, различающуюся по уровню специфичности на разных этапах онтогенеза насекомого. В то же время гуморальные защитные реакции насекомых функционируют в тесной взаимосвязи с клеточными компонентами гемолимфы, являющимися как источниками, так и мишенями для целого ряда факторов гуморального иммунитета.

3. Особенности иммунизации насекомых и реактивность биохимических защитных механизмов при воздействии битоксибациллином

Способность насекомых к иммунизации, повышающей устойчивость особей, обычно вызывали сомнение. Сроки сохранности приобретенного иммунитета остаются спорными, считается, что в отношении некоторых микроорганизмов он исчезает быстро, в отношении других медленно (Полтев, 1969; Cui et al., 2000). Очевидно, что в данных исследованиях не были учтены особенности онтогенеза насекомых и подробное изучение биохимических процессов при иммунизации. Кроме того, спорным остается значимость вклада иммунизации в формирование общей устойчивости насекомых (Pesh et al., 2000; Омельянчук, 2001). Открыт также вопрос о влиянии иммунизации на формирование онтогенетической адаптации насекомых (Cohen, Crittenden, 2004; Lopez-Martinez et al., 2008).

Предварительная обработка насекомых нелетальной дозой БТБ изменяла соотношение защитных клеток гемолимфы при повторном заражении в сравнении с неиммунизированными особями. Следствием иммунизации личинок в 3 возрасте являлось увеличение доли сферулоцитов и эноцитоидов в первые часы после повторного заражения личинок 4 возраста. Иммунизация личинок в 1-е сутки 4 возраста проявлялась в увеличении доли активных фагоцитов на начальном этапе развития инфекции в сравнении с неиммунизированными особями (Рис. 8 А).

А

Б

Рис. 8. Изменение доли веретеновидных фагоцитов у иммунизированных личинок 4 возраста (А) и имаго первой генерации (Б) колорадского жука. однократно обработанные БТБ, повторно обработанные БТБ. Данные нормированы по контролю. * - различие опыта и контроля достоверно, Р>0,95.

Обработка личинок 4 возраста нелетальной дозой БТБ оказала иммунизирующее действие при повторном заражении куколок, стимулируя у последних направление дифференциации гемоцитов в сторону веретеновидных фагоцитов, образующихся как при активации амебоидных фагоцитов, так и из прогемоцитов (Рис. 8 Б). Действие нелетальных доз БТБ на имаго колорадского жука (1-ой генерации и перезимовавших) производило иммунизирующий эффект, увеличивая процент активных фагоцитов в первые часы после повторного заражения. Реализация биохимических защитных механизмов при повторном заражении L.decemlineata также характеризуется онтогенетическими особенностями. У личинок 4-го возраста она проявляется в стабилизации активности ферментов антиокислительного комплекса и в повышении реактивности дифенолоксидазы и титра агглютининов, а у имаго – в повышении активности тирозиназы и титра агглютининов (Рис. 9).

Рис. 9. Динамика активности ферментов фенолоксидазной (ФОС) и антиокислительной (АОС) систем в гемолимфе имаго L.decemlineata при двукратном действии БТБ. Данные нормированы по контролю. * - достоверное отличие опыта от контроля (Р>0,95).

  дифенолоксидаза, тирозиназа,  каталаза, пероксидаза 

Таким образом, и при двукратном действии бактериального препарата иммунный ответ личинки 4-го возраста сочетает как неспецифическую реакцию, так и элементы специфических механизмов защиты, тогда как у перезимовавшего имаго агглютинирующая и тирозиназная активности гемолимфы обеспечивают эффективное распознавание. В целом, повышенная активность биохимических и клеточных реакций на повторное введение бактериального препарата и сохранение эффекта иммунизации при смене возрастов личинок и онтогенетических стадий L.decemlineata позволяют говорить о способности насекомых к развитию иммунной памяти. Эксперимент по выживаемости мух и колорадского жука при иммунизации на стадии личинок показал, что предварительная обработка маленькой концентрацией битоксибациллина 0,001% (СК16) повышала выживаемость мух при действии повторной концентрацией 0,005% (СК50), а также при действии БТБ 0,02% (СК84) (Рис. 10).

Рис. 10. Иммунизирующее действие нелетальной концентрации (НК) БТБ на насекомых

А - смертность (%) имаго Musca domestica L.; Б - смертность (%) Leptinotarsa decemlineata Say. НК – нелетальная концентрация, СК50 и СК84– концентрации, вызывающие гибель 50% и 84% особей соответственно.

Повторное воздействие на пчел через 7 суток более высокой концентрацией бактериального препарата вызвало значительные изменения в динамике активности практически всех показателей (Табл. 4).

Таблица 4

Динамика биохимических показателей у иммунизированных пчел

Варианты

Apis mellifera caucasica

Apis mellifera mellifera

Время развития защитных реакций

0 час

1 час

4 час

24 час

0 час

1 час

4 час

24 час

Г6ФДГ

0,002±0,0002

0,002±0,0001

0,0031±

0,0002

0,0195±

0,0011

0,048±0,0012

0,003±0,0002

0,0028±

0,0001

0,048±0,0011

Каталаза

16,17±

0,23

16,02±

0,21

18,78±

0,22

19,24±

0,24

17,08±0,23

21,37±0,25

17,33±

0,19

18,25±

0,19

Пероксидаза

0,047±

0,004

0,092±

0,008

0,021±

0,002

0,096±

0,005

0,113±0,008

0,086±0,003

0,048±

0,004

0,08±

0,006

Малоновый

диальдегид

0,002±

0,0002

0,002±

0,0002

0,0021±

0,0001

0,0039±

0,0003

0,001±0,0001

0,001±0,0002

0,0021±

0,0004

0,003±

0,0003

Уроновые кислоты

2,42±

0,034

2,404±

0,034

1,92±

0,024

0,88±

0,01

1,0±

0,011

1,36±

0,014

2,07±

0,034

0,83±

0,01

Дифенол-оксидаза

0,009±

0,0009

0,006±

0,0004

0,002±

0,0003

0,029±

0,001

0,008±0,0009

0,009±0,0008

0,007±

0,0009

0,009±

0,0007

Тирозиназа

0,0006±

0,0002

0,0002±

0,0001

0,0095±

0,0009

0,0026±

0,0004

0,013±0,0008

0,004±0,0001

0,0046±

0,0009

0,0094±

0,0005

Протеазы кишечника

0,076±

0,01

4,25±

0,02

2,71±

0,01

3,01±

0,04

2,09±

0,03

7,86±

0,06

3,48±

0,04

2,41±

0,01

Эстеразы

10,34±

0,09

8,86±

0,04

10,95±

0,08

9,79±

0,05

9,61±

0,04

13,12±0,09

12,37±

0,08

9,21±

0,04

Кислая фосфатаза

2,11±

0,02

1,72±

0,01

1,26±

0,01

1,58±

0,02

1,29±

0,03

1,84±

0,01

1,97±

0,02

1,77±

0,01

Примечание: активность дифенолоксидазы, тирозиназы, протеаз, пероксидазы указаны в условных единицах, эстераз и кислой фосфатазы в мг/мин/мг белка, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, каталазы мкМ/мин/мг белка, малонового диальдегида в нМ/мг ткани, уроновых кислот мг/г ткани; темный фон обозначает недостоверное различие с контролем при Р95 %.

Уровень удельной активности Г6ФДГ у серой горной пчелы при повторном заражении значительно ниже, чем у темной лесной пчелы, что, возможно, свидетельствует о большей активации гликолитических процессов у последних. Количество уроновых кислот у серой горной пчелы возрастало. У иммунизированной темной лесной пчелы количество их на протяжении первых суток уменьшался, что позволяет предположить у этой группы пчел интенсивный процесс гликоконьюгации, способствующий связыванию токсических продуктов. Так, например, было показано, что у других видов насекомых при токсических воздействиях активируется ключевой фермент пентозного шунта Г6ФДГ и образование активированных глюкозидов, принимающих участие в гликоконьюгации токсинов (Ekengren, Hultmark, 2001; Sorensen et al., 2005). Дифенолоксидазная активность после обработки БТБ низкой концентрации не менялась у всех групп пчел относительно контроля. Однако при воздействии БТБ удвоенной концентрации этот показатель оставался относительно стабильным только у темной лесной пчелы. Активность тирозиназы при обработке малыми дозами БТБ почти не отличалась от исходного уровня у всех пчел; в то же время на удвоенную концентрацию препарата максимальная реакция выявлена в группе семей темной лесной пчелы, тогда как для серой горной пчелы эти отклонения не столь значительны.

Таким образом, иммунизирующее действие низких доз битоксибациллина способствует повышению реактивности защитных клеточных и гуморальных факторов при повторном действии БТБ на насекомых, способствуя формированию долговременной иммунной памяти.

4. Биохимические основы использования биологически активных веществ в качестве адаптогенов для насекомых

В ряде работ было показано, что олигосахариды, олигонуклеотиды, олигопептиды и оксигенированные производные ненасыщенных жирных кислот и каротиноидов могут действовать как элиситоры (Чалова, Озерецковская, 1976; Ryan, Farmer, 1991; Тарчевский, 1992; Jing et al., 2007). При обычных, стационарных условиях их регуляторная функция мало заметна, но при сильных изменениях окружающей среды или действии патогенных организмов, когда усиливается распад биополимеров, она проявляется в подключении триггерных механизмов обеспечения выживания организмов. Особый интерес представляет использование с этой целью хитиновых олигосахаридов. В литературе имеются единичные сведения по использованию хитиновых олигосахаридов в качестве биологически активных соединений на насекомых (Furukawa et al., 1999; Zaharoff et al., 2007), так было показано, что хитозан вызывает экспрессию генов антибактериальных пептидов у тутового шелкопряда, повышая уровень гуморального иммунитета. Наличие хитиновых структур у насекомых и комплексов деградирующих их ферментов позволяет предположить, что продукты катаболизма хитина могут выполнять достаточно важные регуляторные функции в организме насекомых. Пчелы в течение 5 дней содержались на обычном сиропе и для сравнения на сиропе с хитозаном, и ежедневно из садков отбирались насекомые для проведения биохимических исследований 5 раз с промежутком в 1,5 часа в одно и тоже время суток. Наблюдая суточную и недельную динамику биохимических показателей в норме, можно отметить плавное протекание биохимических реакций, без значительных подъемов и спадов (Табл. 5). При скармливании пчелам хитозана и регистрации активности ферментов в течение пяти суток отмечалось повышение активности пероксидазы с пиком на третьи сутки. Несколько снижалось содержание ТБК-реагирующих продуктов, особенно на третьи сутки, когда отмечался пик активности антиокислительных ферментов. Ранее было показано, что производные хитина проявляли значительную активность против гидропероксид- и пероксид- радикалов, стимулируя активность лизосомальной системы (Xue et al., 1998). Следовательно, правомерным будет утверждение того, что хитозан стимулировал активность систем, снижающих уровень пероксид радикалов.

Таблица 5

Недельная динамика активности биохимических показателей пчел в норме и при действии хитозана

Вариант

Г6ФДГ

(мМ/мин/мг белка)

Каталаза

(мМ/мин/

мг белка)

ПО

(ед.акт./

мин/мг белка)

МДА

(нМ/г

ткани)

ФО

(ед.акт./

мин/мг белка)

Протеиназы (ед.акт./

мин/мг белка)

ИП (ед.акт/ мин/мг белка)

ГАГ

(мг/г ткани)

Недельная динамика (контрольные пчелы)

1 сут.

0,0018±

0,0003

44,81±

0,27

0,171±

0,017

4,64±

0,15

0,111±

0,004

12,79±

0,01

4,23±

0,02

2,54±

0,05

2 сут.

0,0021±

0,0003

30,77±

0,27

0,135±

0,033

5,05±

0,06

0,125±

0,017

2,91±

0,04

4,79±

0,03

2,16±

0,03

3 сут.

0,0160±

0,0002

55,81±

0,37

0,145±

0,004

5,24±

0,04

0,257±

0,026

0,43±

0,01

1,38±

0,11

3,64±

0,01

4 сут.

0,0051±

0,0006

25,22±

0,21

0,124±

0,003

7,43±

0,10

0,155±

0,030

4,41±

0,01

2,41±

0,24

3,21±

0,02

5 сут.

0,0058±

0,0004

45,99±

0,41

0,241±

0,001

11,61±

0,09

0,401±

0,014

0,56±

0,06

2,44±

0,03

1,82±

0,26

Недельная динамика при действии хитозаном на пчел

1 сут.

0,0058±

0,0004*

45,06±

0,59

0,077±

0,001*

5,42±

0,08

0,162±

0,012*

0,82±

0,04*

1,61±

0,09*

3,14±

0,12*

2 сут.

0,0041±

0,0003*

35,25±

1,55*

0,141±

0,003*

4,64±

0,12

0,101±

0,009*

0,52±

0,01*

1,79±

0,01*

5,48±

0,06*

3 сут.

0,0148±

0,0012*

53,39±

0,14

0,197±

0,008*

3,22±

0,13*

0,174±

0,003*

0,43±

0,01

1,14±

0,07*

6,72±

0,23*

4 сут.

0,0215±

0,0015*

35,11±

0,22*

0,109±

0,021

6,23±

0,09

0,119±

0,014*

0,93±

0,04*

2,81±

0,028

5,96±

0,005*

5 сут.

0,0055±

0,0004

82,01±

1,04*

0,139±

0,005*

9,22±

0,11*

0,641±

0,023*

0,47±

0,01*

2,47±

0,03

2,28±

0,01*

*-доверительный интервал, p=0,95

Начиная с третьих суток, происходило повышение активности Г6ФДГ. С первых суток наблюдался устойчивый рост ГАГ с пиком активности между 3-ми и 4-ми сутками от начала эксперимента. Спад активности Г6ФДГ и содержания ГАГ происходили к концу пятых суток. Можно предположить, что хитозан, воздействуя на определенные рецепторы, подвергается дальнейшей деградации системой хитинолитических ферментов и включается в обмен углеводов. При этом может происходить активация пентозофосфатного пути и метаболически связанного с ним процесса образования эндогенных гликозоаминогликанов. Подобного рода механизмы были отмечены при клиническом патогенезе у млекопитающих в результате применения экзогенной субстанции гликозоаминогликанов, выделенных из плацентарных тканей, что способствовало индуцированию восстановительных процессов (Зимницкий А.Н., Башкатов С.А., 2006). Помимо образования УДФ-глюкозидов в глюкуронат-ксилулозном цикле, который также имеется у насекомых, повышение активности пентозофосфатного пути способствует образованию НАДФ⋅Н2, что может активировать систему цитохромоксидаз, фенолоксидаз, синтез экдистероидов и других важных защитных процессов, заинтересованных в использовании НАДФ⋅Н2  Подобного рода процессы были отмечены у лабораторных крыс при экспериментальных нагрузках (Лабори, 1970; Парк, 1973), а также у насекомых (Rabea et al., 2006). Интенсификация этих процессов активизирует антирадикальную защиту, что является значимым звеном в цепи реакций, обеспечивающих взаимосвязь между составом липидов, степенью их окисления и структурой мембран. Наряду с этим хитозан определенно воздействовал на уровень активности и спектр молекулярных форм ферментов фенолоксидазной системы. Вероятно, имеется какой-то исходный набор изоформ ФО, обеспечивающий потребности организма в норме.

Поэтому последующее действие на насекомых бактериальным препаратом, клеточные стенки бактерий которого имеют, вероятно, некоторое сходство с хитозаном, могут вызывать более быструю и эффективную реакцию уже подготовленной ферментативной системы. Довольно сходный тип реакции был описан в отношении такой же сложной ферментативной системы цитохрома Р-450 по отношению к постоянно действующим одним и тем же ксенобиотикам (Арчаков, 1979; Ковалев, Шипулина, 1992; Сибиряк, Вахитов, Курчатова, 2003). В нашем эксперименте достаточно выраженные изменения активности почти всех наблюдаемых биохимических ферментов приходятся на третьи сутки содержания пчел на хитозане. Заметное влияние хитозана, как сигнальной молекулы, на биохимические процессы позволяет предположить, что они могут оказывать преадаптивное действие на насекомых (Рис. 11).

Рис. 11. Преадаптивное действие хитозана на медоносную пчелу при заражении битоксибациллином (подкормка 3 суток) (показатели нормированы по контролю, р>0,95).

Ферментативные системы «откликались» значительно раньше при действии на пчел БТБ, чем у пчел не получавших хитозан. В течение первых суток количество ГАГ повышалось примерно в 4 раза. Интенсивность образования ГАГ в первые часы заражения позволяет предположить активацию этих процессов хитозаном как до заражения, так и после него. Значительный «запас» глюкуронидов, вероятно, способствовал более интенсивной нейтрализации токсических агентов на протяжении первых суток при заражении БТБ. В течение суток происходило снижение активности Г6ФДГ с последующим восстановлением почти до контрольного уровня, однако уровень активности при предварительном содержании пчел на хитозане оказывался значительно выше, чем у пчел, не получавших хитозан. Активность ферментов фенолоксидазной системы к концу 1-х суток возрастала почти в 1,5 раза.

Для того, чтобы оценить возможное проявление биологической активности хитосахаридов на других видах насекомых, подобного рода эксперименты были поставлены на личинках 4 возраста второй генерации колорадского жука и личинках 2 возраста комнатной мухи. Результаты экспериментов приведены в таблице 6. Использовали комнатную муху и колорадского жука для определения воздействия хитосахаридов на онтогенез насекомых, и было установлено, что их добавка в корм личинок оказывала влияние на время развития насекомых. Процент выхода имаго снижался в варианте с подкормкой хитином и сохранялся на высоком уровне в вариантах с хитозаном и NAGA. На скорость развития личинок мухи большее влияние оказал хитозан и NAGA, а на личинок колорадского жука - NAGA. Таким образом, можно утверждать, что хитозан и NAGA обладают выраженной биологической активностью по отношению к организму насекомых, что заключается в повышении выживаемости особей при действии неблагоприятных факторов, а также в изменении стереотипа поведенческих реакций во времени. При этом характер действия хитосахаридов зависел от степени полимеризации и деацетилирования, стадии онтогенеза и вида насекомого.

Таблица 6

Зависимость выживания колорадского жука, комнатной мухи и медоносной пчелы от концентраций хитосахаридов

Вариант

Конт-роль

NAGA, выж. в %

Хитозан, выж. в %

Хитин, выж. в %

Конц. в %

0,0001

0,001

0,01

0,0001

0,001

0,01

0,0001

0,001

0,01

Колорад-ский жук

84±

3,1

86±

2,5

88±

3,1

50±

5,1*

80±

4,2

82±

2,2

46±

3,4*

66±

2,4*

58±

4,2*

22±

2,4*

Комнат-

ная муха

70±

5,0

76±

4,2

80±

2,8*

30±

2,2*

86±

1,6*

88±

3,4*

40±

4,0*

50±

4,6*

68±

2,8

20±3,4*

Медонос-

ная пчела

70,0±4,5

65,3±

2,5

75,2±3,1*

25,1±3,2*

70,5±

2,4

84,6±5,1*

29,7±4,2*

58,7±

3,5*

35,0±2,5*

12,5±2,4*

*-различия с контролем достоверны, p=0,95

Для медоносной пчелы наибольшая степень адаптивного действия установлена для хитозана, что выражается в индукции гуморальных факторов защитных реакций, формируя так называемый ферментативный структурный след адаптации.

5. Роль критических периодов онтогенеза в проявлении трансгенерационного эффекта защитных реакций в ряду поколений Musca domestica

Тесная взаимосвязь иммунной и нейроэндокринной систем с генетическими механизмами преобразования насекомых может играть значительную роль в формировании долговременной иммунной памяти, обеспечивающей устойчивость на протяжении всего онтогенеза, а возможно и в последующих поколениях, что до сих пор для них считалось невозможным. Именно поэтому большую роль в изменении фенотипической реализации генотипа могут играть критические периоды развития насекомых. Они связаны с периодами преобразования особей в ходе индивидуального развития и могут представлять собой наиболее значительные этапы для действия отбора в процессе эволюции. По мнению Л.И. Корочкина (2002) стало очевидным, что живые системы обладают оперативной “памятью”, которая находится в непрерывном контакте со средой и могут использовать средства природной эмбриогенетической инженерии для быстрого наследуемого перехода из одного режима функционирования в другой. Такими важными моментами в процессе индивидуального развития, когда при действии стимулирующих факторов внешней среды происходит «запечатление той самой оперативной памятью» необходимых процессов, могут стать периоды повышенной чувствительности. Стимуляция защитных систем в эти периоды может способствовать возникновению так называемого трансгенерационного эффекта, т.е. некоторым адаптивным изменениям в активации или регуляции некоторых защитных механизмов, которые смогут передаваться в нескольких поколениях насекомых. Подобного рода эффект был описан на шмелях и дафниях, однако биохимические механизмы и реализующие их условия отмечены не были (Moret, 2001; Kurtz, 2004; Moret, 2006).

Для выявления чувствительных периодов в онтогенезе насекомых фиксировали изменение активности ферментов антиоксидантной и фенолоксидазной систем, участвующих в формировании покровов при метаморфозе и при воздействии аскорбиновой кислоты - модулятора данных защитных процессов и активного антиоксиданта. В формировании экзоскелета насекомых важную роль играют производные тирозина, в связи с чем, процессы линьки и метаморфоза сопровождаются у насекомых изменениями в обмене тирозина (Гилмур, 1968; Terwilliger, 1999; Kramer et al., 2001), начальный путь превращения которого катализируют ферменты, наделенные фенолоксидазной активностью. У насекомых выделены и описаны тирозиназа и дифенолоксидаза, активность которых значительно изменяется в онтогенезе. Использование определенных различий в субстратном предпочтении может быть полезным при выяснении сложных ферментативных механизмов линьки и метаморфоза у насекомых. Хорошими субстратами для всех фенолоксидаз являются дифенолы, однако, только тирозиназа способна катализировать гидроксилирование тирозина с образованием дигидроксифенилаланина (ДОФА). Отличительной особенностью этой реакции является также то, что для ее протекания требуется присутствие доноров электронов (Fontecave, Pierre, 1998; Rodriguez-Lopez et al., 2001; Гукасян, 2002). Для определения максимумов и минимумов в активности этих ферментов в онтогенезе, исследовали подробную динамику активности этих ферментов, а также изменение активности в эти периоды под влиянием донора электронов и регулятора активности этих ферментов аскорбиновой кислоты (Рис. 12). Несмотря на изменения активности ферментов, при дисперсионном анализе с применением критерия Краскелла-Уоллиса нами было получено подтверждение значимости фактора «возраст» для признака активности ферментов при р95%: фактические значения критерия Н превышали табличные как для тирозиназы (Нфакт=7.83; Нтабл=7.82), так и для дифенолоксидазы (Нфакт=4.76; Нтабл=4.71).

Рис. 12. Действие аскорбиновой кислоты на динамику активности тирозиназы (А) и дифенолоксидазной (Б) активностей в ходе развития комнатной мухи. По оси абсцисс: 1; 2 - 8-е, 10-е сут личиночной стадии; 3 - фаратный пупарий; 4- 8 - 2; 4; 12; 18; 24-й ч куколочного развития;  9; 10 - 2-; 4-е сут куколочного развития; 11 - фаратные имаго; 12; 13 - 1-; 2-е сут имагинального развития. По оси ординат - активность фермента, ед. акт/мин/мг белка. Сплошная линия - контроль, пунктирная - аскорбиновая кислота, *достоверное повышение активности ферментов.

В альтернативных экспериментах было рассмотрено действие битоксибациллина на личинок комнатной мухи в концентрации, исключающей летальное действие (Табл. 7), отсекая фактор отбора устойчивых особей, но оказывающей при этом определенное стимулирующее действие на защитные системы.

При воздействии бактериальным препаратом битоксибациллином в концентрации 0,01% (концентрация была отобрана в предварительных экспериментах, вызывающая гибель особей на уровне контроля, около 5-8%) на разных сроках развития личинок комнатной мухи можно отметить следующее. При действии БТБ на 3-х суточных личинок отмечали достоверное сокращение сроков развития личиночной стадии примерно на трое суток и почти на 2 суток сокращение сроков развития пупариев. При этом процент окуклившихся личинок и вылетевших имаго был выше, чем в контроле.

При воздействии бактериальным препаратом на 6-ти суточных личинок достоверно возрастал средний вес пупария и увеличивался срок развития личиночной стадии. Действие БТБ на 8-ми суточных личинок достоверно уменьшало процент окуклившихся особей и вылетевших имаго. При воздействии препаратом на 10-ти суточных личинок наблюдался самый высокий процент окуклившихся особей и вылетевших имаго.

Таблица 7

Жизненные показатели Musca domestica L. при действии БТБ в концентрации 0,01% на разных сроках развития личинок

Вес Р,

мг

Продолжительность стадии

развития

% выживших особей на стадии

Длитель-ность репродук-тивного периода, сут

К плодови-тости

L, сут

P, сут

I, сут

P

I

Контроль для 3-х суточных личинок

13,9±1,3

11,0±1,0

6,5±1,0

40,0±5,0

36,0±2,0

30,0±2,0

25,0±5,0

0,15±0,03

Контроль для 6-ти суточных личинок

12,4±1,2

11,4±0,3

5,9±1,0

41,0±4,0

40,0±4,0

38,0±2,0

24,0±3,0

0,19±0,2

Контроль для 8-ми суточных личинок

11,5±0,2

12,4±0,5

6,0±0,9

39,0±5,0

41,0±3,0

35,0±2,0

24,0±3,0

0,16±0,2

Контроль для 10-ти суточных личинок

13,6±0,9

11,2±0,2

6,2±0,8

40,0±4,0

41,0±2,0

38,0±3,0

26,0±2,0

0,18±0,4

БТБ на 3-х суточных личинок

17,2±1,6

8,5±0,5

4,0±1,0

45,0±4,0

41,0±2,0

38,0±3,0

27,0±3,0

0,27±0,05

БТБ на 6-ти суточных личинок

17,0±1,0

13,5±0,6

5,1±0,9

46,0±1,0

39,0±3,0

36,0±3,0

25,0±2,0

0,18±0,4

БТБ на 8-ми суточных личинок

12,4±1,2

11,5±0,5

6,3±0,5

41,0±1,0

35,0±1,0

31,0±2,0

24,0±2,0

0,12±0,1

БТБ на 10-ти суточных личинок

20,4±1,2

12,6±0,4

4,9±0,4

45,0±2,0

49,0±3,0

46,0±1,0

28,0±4,0

0,26±0,4

L – личинка, P – куколка, I – имаго, цветом отмечено, что различие между опытом и контролем достоверно (Р<0,05)

Значительные изменения наблюдали в активности ферментов антиоксидантной и фенолоксидазной систем на последующих стадиях развития комнатной мухи (Рис. 12). При воздействии БТБ на 3-х суточных личинок наблюдали возрастание активности дифенолоксидазы в 8 раз в гемолимфе у этих же личинок, но на 6-е сутки развития, и в 9 раз у куколок 1-х суток развития. Самую высокую активность тирозиназы также наблюдали на этих же сроках развития, что подтверждает наличие долговременной онтогенетической стимуляции данных ферментов. Наибольшая активность пероксидазы также проявлялась на стадии формирования куколок, подтверждая взаимодействие данных систем и участие в формировании куколочных покровов.

Рис. 12. Динамика активности ферментов фенолоксидазной и антиоксидантной систем в онтогенезе комнатной мухи при действии БТБ на 3-х суточных личинок. L - личинки, P - пупарии, I – имаго. 1 - покровы, 2 – кишечник, 3 – гемолимфа; для пупария: 2 – задняя часть, 3 – содержимое. Данные нормированы по контролю. * - различие опыта и контроля достоверно, Р>0,95.

При воздействии битоксибациллином на 8-ми суточных личинок комнатной мухи можно отметить повышение активности дифенолоксидазы и тирозиназы у 10-ти суточных личинок во многих тканях организма, кроме гемолимфы (Рис. 13). Дифенолоксидаза превышала контрольный уровень почти в 2 раза у суточных пупариев в общем гомогенате и передней части куколки, у четырехсуточных пупариев этот фермент почти в 3 раза превышал контрольные значения в задней и передней частях куколки, а также в кишечнике у суточных имаго. В остальных случаях активность этих ферментов была сопоставима с контролем. Трехкратное превышение контрольного уровня активности каталазы наблюдали в передней части суточных пупариев. Более чем в 2 раза этот показатель превышал контрольные значения в передней и задней частях у 4-х суточных пупариев. Пероксидазная активность превышала контрольный уровень более чем в 2,5 раза у 10-ти суточных личинок в кишечнике и в голове. У суточных пупариев пероксидаза активировалась почти в 3,5 раза по отношению к контролю в покровах, у всех этот показатель превышал контроль более чем в 2 раза в кишечнике, а у 2-х суточных имаго также в покровах. В данном случае можно отметить, что воздействие бактериальным препаратом на насекомых проводилось в те моменты онтогенеза, когда активность данных ферментов была максимальной. На последующих стадиях онтогенеза активность данных ферментов была значительно снижена.

Рис. 13. Динамика активности ферментов фенолоксидазной и антиоксидантной систем в онтогенезе комнатной мухи при действии БТБ на 8-ми суточных личинок. L - личинки, P - пупарии, I – имаго. 1 - покровы, 2 – кишечник, 3 – гемолимфа; для пупария: 2 – задняя часть, 3 – содержимое. Данные нормированы по контролю. * - различие опыта и контроля достоверно, Р>0,95.

Таким образом, можно отметить следующие особенности. При воздействии на 3-х суточных личинок бактериальным препаратом сохранялась стабильно повышенная активность всех параметров в покровах и гемолимфе, при действии на 6-ти суточных личинок активность сохранялась, в основном, в тканях кишечника и во внутреннем содержимом пупариев. При действии на 10-ти суточных личинок активность сохранялась, в основном, в покровах, в тканях головы и содержимом у пупариев. Общим для всех этих экспериментов было то, что при воздействии на 3-х, 6-ти и 10-ти суточных личинок, когда рассматриваемые ферменты иммунитета были на минимуме своей функциональной активности, наблюдался рост и сохранение активности данных параметров на последующих стадиях онтогенеза в определенных органах и тканях. При этом жизнеспособность особей в определенной мере повышалась. У 8-ми суточных личинок, наоборот, в этот период был некоторый подъем активности данных ферментов, но при воздействии на них БТБ наблюдалось на последующих стадиях общее снижение активности ферментов и жизненных показателей. Эти экспериментальные данные свидетельствуют о наличии критических и основных периодах онтогенеза. Возникает при этом идея малого параметра, высказанная А.М. Молчановым (1975), и особенно принятая в биохимии, обозначающая узкое место в реакции или функциональной системе. Как правило, такими узкими местами являются ферменты с низкой каталитической активностью или обладающие важными регуляторными функциями (Анохин, 1975; Панин ,1983). Такой ферментативной системой, по-видимому, в данном случае может быть фенолоксидазная система. Вероятно, что активация наблюдаемых защитных процессов в гемолимфе и покровах, а также в содержимом пупариев, и дальнейшее сохранение повышенной активности в этих же тканях в онтогенезе могут указывать на интенсификацию защитных процессов именно здесь.

По результатам предварительного биотеста и проведенных ранее исследований (Салтыкова, 2000), NAGA был выбран нами в качестве фактора, условно модулирующего действие патогена, для проведения эксперимента, в котором определялась длительность биохимических защитных реакций на действие факторов разной природы (NAGA и высокая температура) в онтогенезе M.domestica. В данном эксперименте определялся уровень активности дифенолоксидазы, каталазы и пероксидазы личинок, куколок и имаго M.domestica в 4-х вариантах: 1) контроль, 2) личинки перенесли тепловой стресс, 3) личинки развивались в среде, содержащей NAGA, 4) личинки развивались в среде, содержащей NAGA, и перенесли тепловой стресс. Воздействие проводили в критические периоды онтогенеза, для того чтобы определить продолжительность активации защитных механизмов. Действие NAGA и высокой температуры на личинок вызвало достоверное повышение (Р>0,95) активности каталазы, пероксидазы и дифенолоксидазы на куколочной и имагинальной стадиях (Табл. 8). Полученные нами данные, демонстрирующие после воздействия температурного фактора на насекомых, повышенный уровень активности ферментов антиокислительной системы и дифенолоксидазы на последующих этапах онтогенеза, свидетельствует о долговременности функционирования стимулированных температурным фактором антиоксидантной и фенолоксидазной систем. Повышение активности ферментов фенолоксидазной и антиокислительной систем при действии температурного фактора у насекомых рассматриваются как часть защитных реакций, направленных на снижение цитотоксического действия перекиси водорода и на регуляцию уровня биогенных аминов (Раушенбах и др., 1993; Сухорукова, 2002).

Таблица 8

Активность каталазы, пероксидазы и дифенолоксидазы в онтогенезе M.domestica при действии NAGA и высокой температуры

Активность

каталазы,

нМ/мин/мг белка

Активность пероксидазы, ед.акт./мин/мг белка

Активность дифенолоксидазы, ед.акт./мин/мг белка

L

P

I

L

P

I

L

P

I

К

11,30±1,50

6,12

±0,78

25,30±2,45

0,053

±0,004

0,048

±0,008

0,109

±0,011

0,033

±0,004

0,050

±0,002

0,030

±0,003

Т°С

31,50±2,7

18,24±2,20

59,62±2,54

0,058

±0,003

0,102

±0,008

0,187

±0,006

0,035

±0,002

0,090

±0,004

0,080

±0,002

NAGA

22,43±1,32

10,51±0,73

20,25±1,40

0,057

±0,003

0,098

±0,004

0,140

±0,008

0,026

±0,002

0,095

±0,003

0,059

±0,006

NAGA+ Т°С

17,80±2,10

12,00±1,20

36,55±2,75

0,055

±0,003

0,070

±0,003

0,140

±0,005

0,036

±0,004

0,122

±0,009

0,085

±0,008

В затемненных клетках различие опыта с контролем достоверно (Р>0,95).

L – личинка, P – куколка, I – имаго. K – контроль, Т°С – личинки перенесли тепловой стресс, NAGA – личинки перенесли действие NAGA, NAGA+ Т°С - личинки перенесли действие NAGA и тепловой стресс.

Воздействие NAGA на личинок M.domestica также стимулировало защитные системы организма насекомого, вызывая стойкое повышение уровня активности дифенолоксидазы на следующих стадиях онтогенеза. На фоне теплового стресса NAGA оказывало стабилизирующее действие на активность антиокислительных ферментов. Возможно, предварительное содержание насекомых на NAGA активизирует процесс ферментативной деградации перекиси водорода при тепловом стрессе и стабилизирует активность антиокислительных ферментов на уровне, приближающемся к соответствующим контролю значениям. Вместе с тем, NAGA повышал у насекомых уровень метаболизма в целом, физиологическими показателями чего являлись сокращение сроков развития личинок и куколок, увеличение веса куколок, а также оказывал компенсаторное действие при тепловом стрессе, значительно повышая жизнеспособность особей (Рис. 14).

Действие NAGA на M.domestica L. индуцировало дополнительные изоформы фенолоксидазы, отличные от тех, что инициировались при тепловом стрессе (Рис. 15). Действие теплового фактора индуцировало у личинок изоформу фенолоксидазы с Rf 0,5, специфичную для куколочной стадии. Данная молекулярная форма фермента сохранялась у имаго. Действие NAGA на личинок индуцировало ряд изоформ фенолоксидазы, также стабильно воспроизводившихся на последующих стадиях онтогенеза. Наибольшее внимание обращают на себя молекулярные формы с Rf 0,3 и >1. Данные изоформы фермента специфичны для строго определенных этапов развития комнатной мухи. Изоформа с Rf 0,3 характерна для куколочной стадии развития, а изоформы с Rf>1 – для моментов перехода одной онтогенетической стадии в другую: при окукливании, у молодых куколок и фаратных имаго. И если исходить из положения, что в морфогенетических и защитных процессах насекомых задействованы сходные механизмы (Natori et al., 1999), то молекулярные формы фенолоксидазы с Rf 0,3 и >1, инициируемые на строго определенных этапах онтогенеза M.domestica, могут индуцироваться и при развитии иммунной реакции у насекомых. Предполагается, что механизм образования новых молекулярных форм фенолоксидаз при действии NAGA заключается в изменении степени гликозилирования фенолоксидаз и функциональным отбором необходимых изоформ на предыдущих стадиях онтогенеза. Что не оказывает влияния на субстратную специфичность ферментной системы, но способствует лучшему выполнению их функций при развитии защитной реакции насекомых на действие патогена (Салтыкова и др., 2003). К настоящему времени установлено, что молекулы фенолоксидазы (а именно, тирозиназы) насекомых ответственны за распознавание антигенов (Ratkliffe, 1985). В результате воздействия на M.domestica теплового стресса и (или) NAGA в последующих поколениях насекомого на отдельных стадиях онтогенеза отмечаются повышенные уровни активности каталазы, пероксидазы и фенолоксидазы, а также обнаруживаются ее индуцированные изоформы. Причем, активность ферментов антиокислительной системы и фенолоксидазы обнаруживает повышенный уровень при тепловом стрессе родительского поколения только в поколении F1, а при действии NAGA на родительское поколение – в двух последующих поколениях. Аналогичным образом, молекулярные формы фермента, индуцируемые тепловым стрессом в родительском поколении, сохраняются только в поколении F1. Легкие же изоформы с Rf >1, индуцированные в родительском поколении действием NAGA, стабильно воспроизводятся в двух последующих поколениях комнатной мухи.

С точки зрения классической менделевской теории наследственности, передача адаптивного ответа организма на условия среды последующим поколениям невозможна. Однако появилось много экспериментальных данных, не вписывающихся в классическую теорию наследственности и свидетельствующих в пользу выдвинутого Ж.Б.Ламарком принципа наследования приобретенных признаков (Каллис, 2000; Чураев, 2000; Стил и др., 2002), включающих механизмы эпигенетического наследования, активации транспозонов и др. Следовательно, интерпретация полученных данных может не ограничиваться отбором особей с повышенным уровнем активности рассматриваемых ферментативных систем, поскольку, с точки зрения аспектов неоламаркистской концепции, полностью не исключена и возможность наследования наблюдаемых индуцированных онтогенетических изменений в защитных ферментативных системах.

Таким образом, на основе полученных данных можно полагать, что фенолоксидазная система участвует в формировании долговременной иммунной памяти, отбором необходимых гликозилированных молекулярных форм фермента при контакте с патогеном на предшествующих стадиях онтогенеза, которые сохраняются на протяжении двух последующих поколений без дополнительного воздействия фактором. Условием возникновения трансгенерационного эффекта являются чувствительные периоды онтогенеза, характеризующие моменты метаморфоза насекомых.

Заключение

Результаты экспериментов и анализ литературных данных позволяют утверждать, что начальный этап формирования биохимических и клеточных защитных реакций у насекомых с полным типом превращения является определяющим для течения дальнейших этапов и финала действия бактериального препарата. На начальном этапе происходит распознавание, задействуются необходимые пусковые механизмы защитных реакций и формируется эффективная стратегия реализации метаболических процессов. Ранее было показано, что насекомые обладают сложной и эффективной системой конституциональных механизмов (Черныш, 1999; Глупов, 2001). Динамика изменений биохимических и клеточных показателей гемолимфы позволяет выявить основные фазы развития защитных реакций (30 мин; 1ч; 2ч; 4ч; 24ч) у насекомого при действии бактериальным препаратом. У них увеличивается процент содержания фагоцитов в гемолимфе, активируются фенолоксидазная и антиоксидантная системы. Используя различные концентрации битоксибациллина, выявили, что повреждения, вызванные малыми дозами патогена, эффективно снимаются при интенсификации метаболизма, при высоких дозах наблюдается снижение уровня метаболических процессов. Такая направленность отчетливо выражена на начальной стадии действия битоксибациллином в лабораторных условиях на A.m.mellifera, в отличие от A.m.caucasica, а также на личинках колорадского жука. Внутривидовые особенности реагирования биохимических и клеточных защитных систем у медоносной пчелы заключаются в скорости преодоления пороговой чувствительности к бактериальному препарату. Пчелы A.m.mellifera отличаются от пчел A.m.caucasica повышенной фагоцитарной реакцией гемолимфы и более ранней активацией окислительно-восстановительных процессов.

Были выявлены также существенные различия в биохимических и клеточных защитных механизмах на разных этапах онтогенеза у колорадского жука. С точки зрения иммунизации личинка третьего возраста и имаго колорадского жука представляются совершенно разными организмами (Глупов, 1993; Marmaras et al., 1996; Nakamura et al., 2001; Сухорукова, 2002). В гуморальном ответе нами выделялись два механизма защиты: неспецифический – дифенолоксидазная, каталазная и пероксидазная активности гемолимфы, и относительно специфический – агглютинирующая и тирозиназная активности гемолимфы. Таким образом, в онтогенезе были выявлены явные различия в индуцировании защитных механизмов у личинок и взрослых особей. В повышении устойчивости к бактериальному препарату у личинки задействованы менее специфичные защитные системы (ферменты антиоксидантной системы, дифенолоксидаза, клетки гемолимфы - эноцитоиды и сферулоциты). В случае половозрелого имаго ведущая роль в данном процессе переходит к более специфичным механизмам защиты (гемагглютинины, тирозиназа, иммунокомпетентные клетки – веретеновидные фагоциты). Увеличение активности фенолоксидаз на начальном этапе повторного воздействия БТБ на личинок L.decemlineata при снижении активности антиокислительных ферментов лишний раз указывает на взаимодействие фенолоксидазного и антиоксидантного путей (см. схему).

Схема реализации цитотоксического эффекта в гемолимфе при фагоцитозе в процессе меланизации и инкапсуляции у насекомых

Очевидно, что основанный на этом взаимодействии механизм сопровождается временным ингибированием собственных антиоксидантных систем и играет важную роль в антимикробном иммунитете насекомых за счет производства высокореактивных интермедиатов (Салтыкова, 2000; Whitten et al., 2001).

       Возможна преадаптация насекомых, способствующая повышению их устойчивости к действию средовых факторов, при введении им биологически активных веществ, например хитозана, которые создают ферментативный структурный след адаптации (Меерсон, 1999). Показана преактивация конституциональных защитных систем с помощью антиоксиданта - аскорбиновой кислоты (Салтыкова и др., 2000), посредством которой можно модулировать реакцию фенолоксидазной и антиоксидантной защитных систем у насекомых. Аскорбиновая кислота тормозит образование дофахинона за счет восстановления, снижая активность дифенолоксидазы в гемолимфе и жировом теле у пчел. Но при этом увеличивается активность тирозиназы, поскольку для ее активации нужен восстановитель - аскорбиновая кислота, что приводит к увеличению диоксифенилаланина, а это в свою очередь последовательно стимулирует реакцию ацетилирования для удаления излишков дофамина, что более характерно для гемолимфы, а также покровов и жирового тела (см. схему).

Схема модулирования аскорбиновой кислотой защитных реакций фенолоксидазной и антиоксидантной систем; ДФО-дифенолоксидаза, ДДК-дофадекарбоксилаза

В экспериментах была показана возможность иммунизации насекомых, как под воздействием бактериального препарата, так и при действии адаптогенов. В данном случае под иммунизацией мы понимаем стойкое усиление активности, либо реактивности защитных систем, рост резистентности организма насекомого к повторному воздействию повреждающего фактора. Мы полагаем, что иммунизация колорадского жука низкой концентрацией БТБ стимулирует в гемоцитах экспрессию факторов, активирующих фенолоксидазы и ингибирующих активность антиокислительных ферментов, для накопления определенного уровня цитотоксического арсенала к моменту перехода начального этапа повторной инфекции в острое течение болезни. Наконец, в экспериментах с нелетальными дозами патогена, которые оказывают легкое стимулирующее действие на организм насекомого (так называемый эффект гормезиса) было показано, что иммунизация потенциально вносит вклад в рост общей устойчивости популяции наравне с естественным отбором (Гайфуллина и др., 2002).

Длительность сохранения иммунизации зависит от множества факторов. Наиболее долговременно, часто в течение всего онтогенеза, иммунная память сохраняется при воздействии бактериальным препаратом на организм насекомого в критические периоды развития, приходящиеся на моменты частичной или полной перестройки организма в период, предшествующий линьке личинки в куколку или куколки в имаго (Салтыкова и др., 2005). При этом заметно возрастает роль более специфичных биохимических защитных систем. Более того, в экспериментах с комнатной мухой мы наблюдали эффект трансгенерационной передачи ряда признаков - повышение уровня активности антиоксидантной системы и появления индуцированных молекулярных форм фенолоксидазы в последующих поколениях без дополнительной стимуляции.

       Таким образом, проблема управления популяциями насекомых требует знания специфики их развития, в том числе и особенностей формирования защитных реакций каждой стадии онтогенеза. Большие усилия по созданию инсектицидов, разработке интегрированных систем управления численностью насекомых-вредителей, поиск новых веществ, регулирующих рост растений, сводятся на нет в результате недостаточного внимания к особенностям формирования устойчивости насекомых, игнорированию их чрезвычайно высокой внутривидовой гетерогенности, в т.ч. внутривидовых и межвидовых различий в стратегии развития защитных реакций.

Выводы

  1. В экспериментальной модели выявлены определенные фазы реализации биохимических защитных реакций: фаза неспецифической реакции (до 1ч.), латентная фаза (1-4 часа), начало запуска специализированных защитных реакций (4-6 часов), их нарастание (6-24 часов), стабильное развитие защитных реакций (24-48 часов) и последующая фаза, определяющая адаптацию.
  2. Выявлено наличие двух стратегий реализации у насекомых биохимических защитных систем на начальном этапе действия битоксибациллина. Сублетальные концентрации препарата формируют защитные реакции, направленные на ликвидацию последствий повреждающего фактора, на фоне активации общего метаболизма. Высокие концентрации битоксибациллина вызывают активацию защитных реакций, направленных на локализацию и элиминацию патогена на фоне общего снижения метаболизма.
  3. На примере колорадского жука определены онтогенетические различия в реализации защитных реакций у насекомых к битоксибациллину: на стадии личинки преобладает развитие неспецифических механизмов защиты, увеличивается доля эноцитоидных гемоцитов; у имаго увеличивается доля фагоцитирующих гемоцитов, формируются механизмы специализированной защиты.
  4. Выявлены подвидовые особенности реакций защитных систем у темной лесной пчелы по сравнению с южными подвидами: повышение фагоцитарной активности клеток гемолимфы, возрастание активности антиоксидантных ферментов, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, ферментов фенолоксидазной системы, поддержание повышенного уровня гликозоаминогликанов. Полученные биохимические критерии предложены в качестве показателей адаптированности пчелиной семьи к климатическим условиям Урала.
  5. Обнаружена способность насекомых к формированию долговременных защитных реакций в онтогенезе. Повторное воздействие битоксибациллином на последующей фазе развития насекомого вызывает всплеск активности антиоксидантных и фенолоксидазных ферментов в гемолимфе, повышение титра специфических агглютининов, ускоряется дифференциация фагоцитирующих клеток из прогемоцитов.
  6. Показана возможность применения хитозана в качестве индуктора защитных реакций у насекомых, что проявляется в быстрой нейтрализации токсичного эффекта битоксибациллина и повышение выживаемости насекомых.
  7. Выявлены критические периоды онтогенеза у насекомых, сопутствующие процессам линьки, которые определяют формирование долговременных биохимических защитных реакций к внешним воздействиям.
  8. Выявлено наличие трансгенерационного эффекта в реализации биохимических механизмов на примере комнатной мухи: индуцированная в родительском поколении в критические периоды онтогенеза активность биохимических защитных реакций сохраняется у личинок и имаго в последующих наблюдаемых двух поколениях без дополнительного стимулирования.

Основные публикации по теме диссертации, в том числе в журналах

рекомендованных ВАК

  1. Поскряков А.В., Салтыкова Е.С., Амирханов Д.В. Активность инсектицидов и ферменты детоксикации в онтогенезе колорадского жука // Агрохимия, 1993, № 9, С.63-68
  2. Салтыкова Е.С., Поскряков А.В., Николенко А.Г., Хайруллин Р.М. Иммуномодулирующее действие хитоолигосахаридов на медоносную пчелу Apis mellifera // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2000. №5. С.563-568

3. Салтыкова Е.С., Беньковская Г.В., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Влияние хитосахаридов на медоносную пчелу Apis mellifera L. // Агрохимия. 2001. №2. С.70-73

4. Беньковская Г.В., Салтыкова Е.С., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Влияние хитина и его производных на онтогенез колорадского жука // Агрохимия. 2001. №6. С.73-77

5. Салтыкова Е.С., Беньковская Г.В., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Влияние хитосахаридов на биохимические процессы у медоносной пчелы в условиях действия экстремально высокой и низкой температур // Агрохимия. 2002. №3. С. 70-74.

6. Гайфуллина Л.Р., Салтыкова Е.С., Николенко А.Г. Клеточный иммунитет насекомых // Успехи современной биологии. 2003. том 123. №2. С. 195 – 206.

8. Салтыкова Е.С., Беньковская Г.В., Поскряков А.В., Сухорукова О.В., Николенко А.Г. Экспрессия фенолоксидазной системы при использовании хитосахаридов в качестве иммуномодуляторов // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2003. № 4. С.346-350.

9. Гайфуллина Л.Р., Салтыкова Е.С., Беньковская Г.В., Николенко А.Г. Иммунные реакции личинок и имаго колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata Say) при применении препарата биологической защиты картофеля // Агрохимия. 2004. №9. С. 1-7

10. Sokolyanskaya M.P., Benkovskaya G.V., Saltykova E.S., Udalov M.B. and Nikolenko A. G. Biochemical Changes in the Larvae of the Housefly (Musca domestica L.) During Selection by Different Stressors // Resistant Pest Management Newsletter. 2004. V. 14. №. 1. Р.43.

11. Беньковская Г.В., Николенко А.Г., Салтыкова Е.С., Ишмуратова Н.М, Харисов Р.Я, Ишмуратов Г.Ю. Адаптогенное действие препарата биосил на медоносную пчелу и комнатную муху // Агрохимия. 2005. №3. С. 74-78.

12. Салтыкова Е.С., Беньковская Г.В., Гайфуллина Л.Р., Новицкая О.П., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Реакция отдельных физиологических барьеров при бактериальной инфекции у различных рас медоносной пчелы Apis mellifera // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2005.Т.41. № 3. С.254-258.

13. Салтыкова Е.С., Беньковская Г.В., Сухорукова О.В., Удалов М.Б., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Внутривидовые различия гуморального защитного ответа у медоносной пчелы Apis mellifera // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2005. Т.41. №4. С.314-318.

14. Салтыкова Е.С., Львов А.В., Беньковская Г.В., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Межрасовые различия экспрессии генов антибактериальных пептидов абецина, гименоптецина, дефензина у пчел Apis mellifera mellifera и Apis mellifera caucasica // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2005.Т.41. №5. С.404-407.

15. Saltykova E.S., Benkowskaya G.V. The Mechanism of bacterial insecticide resistance in colorado potato beetle // Resistant Pest Management Newsletter. 2005. V.15. №1. Р.33-34.

16. Gayfullina L.R., Saltykova E.S., Benkowskaya G.V., Nikolenko A.G. Humoral immune reactions participation in resistance formation of colorado beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) larvae and imago to a biopreparation for potato // Resistant Pest Management Newsletter. 2005. V. 15. № 1. Р.9-12.

17. Беньковская Г.В., Салтыкова Е.С., Сухорукова О.С., Николенко А.Г.  Метаболическая регуляция двух типов фенолоксидазной активности в онтогенезе комнатной мухи // Онтогенез. 2006. Т.37. № 2. С.142-148.

18. Gayfullina L.R., Saltykova E.S., Nikolenko A.G. Cellular immune reactions participating in resistance formation of Colorado beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) larvae and imago to a Biopreparation for potato // Resistant Pest Management Newsletter. 2006. V. 15. № 2. P. 22-24.

19. Гайфуллина Л.Р., Салтыкова Е.С., Николенко А.Г. Структура и механизмы индуцированного гуморального иммунитета насекомых // Журнал Успехи современной биологии. 2006. Т.126. №6. С.617-629.

20. Gayfullina L.R., Saltykova E.S., Nikolenko A.G. Induction of the additional phenoloxidase isoforms in insects under N-acetyl-D-glucosamine and bitoxibacillin action // Resistant Pest Management Newsletter. 2007. V. 16. №. 2. Р. 22-24.

21. Салтыкова Е.С, Беньковская Г.В, Николенко А.Г. Внутривидовые различия в механизмах формирования защитных процессов у медоносной пчелы Apis mellifera // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2007. Т.43. №2. С. 53-57.

22. Салтыкова Е.С., Гайфуллина Л.Р., Николенко А.Г. Изменение порога чувствительности Apis mellifera к действию патогена в различные периоды голодания // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2008. т. 44. № 4. с. 409-417.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.