Поиск - новости науки и техники

Летите, опылители! Здоровье насекомых важно для людей.

В сельском хозяйстве сложилась тревожная ситуация из-за глобального снижения числа насекомых-опылителей, роль которых бесценна: до 90% тепличного хозяйства опыляются пчелами и шмелями. Одна из главных причин почти катастрофического положения – широкое применение пестицидов, которые снижают летательную способность насекомых. Как решить проблему? Научная группа под руководством проректора, заведующего кафедрой генетики, цитологии и биоинженерии Воронежского государственного университета, доктора биологических наук, профессора Василия ПОПОВА предложила новую технологию тестирования химических средств защиты растений, которая определяет также возможный вред опылителям значимыми для сельского хозяйства соединениями. Их тема “Генетика и биоэнергетика митохондрий как основа для разработки современных агробиотехнологий” получила поддержку в виде гранта Президента РФ. Корреспондент “Поиска” узнал интересные детали о работе ученых, а также о нелегкой доле пчел и шмелей.
– Расскажите, пожалуйста, вкратце для читателей-неспециалистов, что представляют собой митохондрии и какова их роль в организме?
– Митохондрии – одни из ключевых энергетических органелл клетки (наряду с хлоропластами у растений). Они отвечают за процессы дыхания, то есть окисления органического вещества в клетке, хранение и передачу энергии в клетке. Эти уникальные двумембранные органеллы обеспечивают не только транспорт веществ, синтез новых компонентов клетки, другие энергозатратные процессы, но и адаптацию живых организмов к изменению условий среды.
Новые знания об уникальных особенностях регуляции дыхания у хозяйственно-значимых организмов, в частности, о структуре и особенностях цепей переноса электронов при дыхании у клещей-энтомофагов, насекомых-опылителей, помогают селекции и биоинженерии наиболее продуктивных линий. Нужна такого рода информация и для подавления дыхания у вредителей, сорняков и других вредных организмов.
Наша научная группа разрабатывает биологические основы для создания и рационального применения средств химической защиты растений нового поколения (биоразлагаемые пестициды с селективным спектром действия, основанные на избирательном подавлении дыхательной цепи вредителей), а также средств биологической защиты растений (энтомофаги).
Митохондрии обладают собственным уникальным генетическим аппаратом, для которого характерны небольшие размеры и достаточно высокая изменчивость – из-за ограниченности механизмов репарации в этой органелле и большой скорости эндогенного (внутреннего) образования активных форм кислорода, то есть побочных продуктов дыхания, способных окислять митохондриальную ДНК (мтДНК). Именно мтДНК является одним из маркеров общей мутационной нагрузки и старения организма, также широко используется для баркодинга –  системы генетической идентификации систематической принадлежности организмов.
Мы хотим за счет модуляции дыхательных процессов (в первую очередь так называемого “свободного” окисления) добиться повышения устойчивости сельскохозяйственных растений и животных, а также расширить использование мтДНК как маркера для отбора наиболее ценных форм.
– Как вы исследуете митохондрии?
– Мы разработали методику выделения из полетной мышцы шмеля митохондрий, отвечающих за окисление питательных веществ и выработку энергии. Насекомое это летает много, и энергии ему требуется немало. Выяснилось, что активность дыхания в его митохондриях очень высока. В ходе работы нам пришлось адаптировать классические методики исследования биоэнергетики клетки (скорость дыхания и образования активных форм кислорода, измерения мембранного потенциала) к нашему насекомому. Задача оказалась технически решаемой, хотя некоторые сюрпризы-отличия эти митохондрии нам в ходе исследований подарили.
Нас интересовало влияние на митохондрии фунгицидов (веществ, применяемых против грибных патогенов, которые теоретически не смертельны для насекомых). Сегодня они активно используются как в открытом грунте, так и в теплицах, при этом почти никто не задумывается об их возможном вредном действии на насекомых-опылителей.
Обычно при введении любых новых пестицидов проверяется их токсичность для насекомых: в какой дозе они их убивают. Но для опылителей важно не только остаться живыми, но и быть активными, а главное – летать. Это чрезвычайно сложный и энергоемкий процесс, и мы решили исследовать, как влияют широко применяемые соединения на энергетический обмен, а значит, и на способность к полету у шмелей, которые активно используются для опыления в тепличных хозяйствах.
Сегодня проблема токсического действия пестицидов на насекомых стоит очень остро, так как происходит глобальное снижение численности опылителей. Для индустриально-развитых стран, в первую очередь США и ЕС, одним из решений этой проблемы стал завоз импортных пчел. Но это спровоцировало эпидемию различных заболеваний у опылителей, вытеснение местных представителей энтомофауны. В итоге возникли экономические проблемы из-за угрозы продовольственной безопасности, а также потери урожайности фруктов и овощных культур.
Сегодня более 70% овощной продукции, которую мы едим, опыляются пчелами и шмелями, а если брать тепличные хозяйства, то эта доля доходит до 90%. Наша группа действительно установила негативное влияние некоторых фунгицидов на дыхание митохондрий, приводящее к снижению полетной и опылительной активности насекомого. Образно говоря, возникает ситуация, когда насекомое будет жить, но не летать, опыляя сельскохозяйственные растения.
Мы предложили принципиально новую модель тестирования – определять возможность нанесения ущерба насекомым-опылителям значимыми для сельского хозяйства соединениями. И это не только фунгициды – таким способом можно исследовать гербициды, стимуляторы роста, удобрения. Желательно исключить побочное действие всего широкого круга агрохимикатов на полетную активность насекомых.
Мы показали, что очень удобной моделью для таких исследований являются искусственно выращенные шмели, и уже начали сотрудничество с разработчиками нового класса фунгицидов по скринингу наиболее безопасных соединений. В будущем это поможет оптимизировать обработку полей средствами защиты, которые необходимы для подавления вредителей. Это снизит их вредное влияние на полезных насекомых, среди которых кроме опылителей еще и насекомые-энтомофаги, регулирующие численность вредителей. Такой подход увеличит урожайность и повысит экологичность продукции.
– С какими современными агробиотехнологиями имеете дело?
– Отечественный рынок химической и биозащиты (хищные насекомые и клещи) для борьбы с вредителями растений ежегодно увеличивается. Наш нынешний проект позволит разработать биологические основы выбора химических соединений для обработки сельскохозяйственных растений, а также оптимизировать применение искусственно выращенных колоний шмелей и пчел для повышения урожайности растений, опыляемых насекомыми.
В России в качестве средств биологической защиты наиболее востребованы два вида клещей – Phytoseiulus persimilis (против паутинного клеща) и клещи рода Amblyseius sp. (против трипсов, белокрылки, паутинного клеща). Мы создали малое предприятие при университете, которое производит и продает отечественным тепличным хозяйствам этих клещей. Оказалось, что технология их выращивания требует высокой квалификации персонала и собственных научных разработок. Добиться нужного результата удалось только благодаря взаимодействию малого бизнеса и университета. Кроме того, мы разработали уникальные методики видовой идентификации этих энтомофагов на основе генетических маркеров, которые позволяют поддерживать высокое качество коммерческих линий хищных клещей.
Сейчас при использовании энтомофагов и других средств биологической защиты в теплицах растения перестают обрабатывать пестицидами. Это повышает риск потери урожая от других вредителей, особенно от грибковых заболеваний. Разработка инсектоакарицидов, то есть препаратов химической защиты от клещей избирательного действия, которые были бы безопасны для опылителей и энтомофагов, поможет решить эту проблему.
– Каковы важнейшие результаты ваших работ и дальнейшие исследовательские планы?
– За последние годы мы исследовали метаболизм активных форм кислорода (АФК) в митохондриях растений, млекопитающих и насекомых. Обнаружили, что образующиеся АФК могут играть важную роль в регуляции путей несопряженного и разобщенного дыхания, в адаптации живых организмов к стрессу.
Мы создали и разместили в открытом доступе базы данных генетических маркеров (митохондриальных баркодов) для быстрого и точного определения видов и родов хозяйственно-значимых насекомых и клещей. Сейчас в этой базе более 150 видов.
Кроме того, разработали систему оценки накопления одноцепочечных разрывов мтДНК с помощью полимеразной цепной реакции в реальном времени. Сделаем ее применимой к широкому кругу значимых для сельского хозяйства задач в ближайшие два года. Изучено также повреждение мтДНК при окислительном стрессе у мышей, при полете насекомых. Для этого мы совместили длинноцепочечную ПЦР и метод высокопроизводительного секвенирования на платформе секвенатора нового поколения PGM Ion Torrent.
В нашем активе также – разработка новых подходов в создании библиотек для секвенирования на этой платформе и публикация в 2016 году статьи в журнале Nature Methods, в которой представлены данные о возможном использовании высокопроизводительного секвенирования для оценки структурных вариаций генома, возникающих при окислительном стрессе.
В дальнейшем с помощью высокопроизводительного секвенирования (определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности ДНК) мы будет изучать разнообразие мтДНК в клетке, роль активных форм кислорода и различных агентов в возникновении и накоплении точечных мутаций в мтДНК.
Надеемся разработать и внедрить в сельское хозяйство новые биотехнологии, основанные на знаниях генетики и биоэнергетики. Это повысит продуктивность и устойчивость сельскохозяйственных растений и животных, позволит создать и рационально применять средства химической защиты растений нового поколения и средства биологической защиты, а также оценить возможность применения и экономическую эффективность искусственно выращенных колоний насекомых-опылителей и энтомофагов.
 
Беседу вела Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фотоснимки предоставлены В.Поповым

Нет комментариев