XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Эпигенетический полиморфизм колорадского жука на территории села Чаадаевка Пензенской области.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дегтярь Я.В. 1

---

1Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения средней общеобразовательной школы села Чаадаевка

Кузнецова Н.С. 1

---

1Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения средней общеобразовательной школы cела Чаадаевка

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Популяция, будучи целостной живой системой, обладает способностью сохраняться неизменной и противостоять внезапным изменениям среды. Эта

способность к равновесию и генетической стабильности была названа Лирнером генетическим гомеостазом (Lirner, 1954). Однако генетическая структура популяции может изменяться под влиянием резких колебаний среды или при антропогенном воздействии. Обнаружить это проявление можно у полиморфных по изменению частот признаков в популяции (Яблоков, 1980).

Фенетическая структура популяций насекомых обусловливается многими факторами. Одним из существенных является воздействие инсектицидов.

Колорадский жук приносит значительный ущерб посевам картофеля на территории Российской Федерации, в том числе и Пензенской области. Заселение территории Пензенской области колорадским жуком происходило в период с 1973 по 1976 гг. В связи с этим этот вид был выбран как модель исследования эпигенетического полиморфизма окраски переднеспинки и надкрыльев.

Актуальность проблемы. Колорадский жук – вид с продолжающимися процессами видообразования, характеризуется значительным внутривидовым полиморфизмом и экологической пластичностью (Ушатинская, 1981; Фасулати, 2002). Это позволяет ему успешно адаптироваться, в том числе и к антропогенным воздействиям. Согласно современному взгляду на популяцию как на единицу эволюции и одновременно – единицу управления видами (Яблоков, 1987), очевидна необходимость изучения этого вида на популяционном уровне.

С.Р. Фасулати (1985, 1986, 1987) на территории Восточно-Европейской равнины выделил пять популяционных комплексов колорадского жука, а также смежный с ними западно-казахстанский и изолированный от основного ареала среднеазиатский комплексы. Изменения структуры популяций колорадского жука, происходящие с высокой скоростью, обуславливают необходимость систематического анализа с использованием большого количества типов фенов. Разработанные в последние десятилетия молекулярно-биологические методы генетического анализа позволяют оценить степень внутривидового полиморфизма на уровне первичной структуры ДНК (Roderick, 1996; Loxdale, Lushai, 1998). Сочетание классических и современных методов должно дать наиболее адекватную оценку уровня полиморфизма и популяционной структуры вида.

В связи с выше сказанным целью настоящей работы было изучение характера эпигенетического полиморфизма окраски колорадского жука на территории села Чаадаевка в Городищенском районе Пензенской области.

В задачи исследований входило:

1. Провести сбор колорадского жука на разных полях в вначале лета, до обработки инсектицидами, и в конце лета после обработки инсектицидами.

2. По характеру окраски переднеспинки и надкрыльев изучить популяционную изменчивость.

3. Выявить чувствительность особей разных морф колорадского жука к действию инсектицидов.

Глава 1. Материалы и методы.

В качестве объекта исследований были использованы перезимовавшие имаго колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say. Сбор проводился на территории села Чаадаевка в 2021 году (рис. 1). Первый сбор проведен на западной окраине села вблизи лесополосы и подстанции Сура (рис 2), и в центре села на пришкольном участке МОУ СОШ (рис. 3) в первой половине июня. Повторный сбор проводился на тех же территориях после обработки инсектицидами во второй половине августа.

Рис. 1. Село Чаадаевка (1) и места сбора полевого материала (2).

Рис. 2. Картофельное поле на западной окраине села вблизи лесополосы и подстанции Сура.

Рис. 3. Картофельное поле в центре села на пришкольном участке МБОУ СОШ.

В каждом случае количество собранных особей было постоянно и составляло 105 особей, что позволяет говорить о возможности получения статистически достоверных данных.

Первоначально собранных животных помещали в стеклянные банки (морилки) с хорошо пригнанной пробкой, где подвергали их обработке эфиром. После умерщвления жуков накалывали на английские булавки, расправляли и оставляли до полного высыхания. Высушенных насекомых помещали в энтомологические коробки для постоянного хранения и изучения.

1.1. Используемые признаки.

При обработке собранного материала учитывались частоты морфологических признаков и их симметричность расположения на переднеспинке (рис. 4).

Рис. 4. Схема расположения морфологических признаков (А₁–А₆) на переднеспинке и их симметричность расположения.

На переднеспинке имеются 10–12 пятен и полос, которые в совокупности образуют типичный рисунок у жуков этого вида, вариации которого могут рассматриваться как морфологические признаки. При анализе изменчивости рисунка можно выделить ряд признаков по изменчивости формы центральных полос А (рис. 4)

Эти признаки наиболее изменчивы. Анализ их изменчивости показал, что полосы А в одном варианте могут иметь изгибы вверху (символ А₁), в другом – правая или левая полосы имеют изгибы вверху, соответственно левая или правая полосы имеют вверху точки (символы А₂, А₄), в третьем – обе полосы имеют вверху точки (символ А₃), в четвертом варианте – полосы приобрели форму крыльев бабочки (символ А₅) и в пятом варианте – полосы, имея изгиб вверху, почти соединяются с пятнами в форме капель (символ А₆).

А также учитывались частоты признаков и их симметричность на надкрыльях (рис. 5).

Рис. 5. Варианты рисунков на надкрыльях колорадского жука: Р₁, Р₂,Р₃,Р₄,Р₅.

Надкрылья характеризуются пятью продольными полосками. Полосы, окаймляющие элитры, как правило, фигур не образуют. Четыре средние полоски образуют различные признаки (рис. 5). Полоски могут не сливаться (Р ₁) или сливаться на правом или левом надкрылье (Р₂, Р₃), либо образовывать горизонтальную перемычку (Р₄) или утолщения (Р₅).

Каждая популяция колорадского жука характеризуется определенным комплексом признаков и их частотой встречаемости.

Математическая обработка проводилась по Л. А. Животовскому (1982, 1991) Рассчитывались: показатель внутрипопуляционного разнообразия (М), доля редких морф (h), показатель сходства популяций и проводилась оценка значимости.

1.2. Расчеты показателя внутрипопуляционного разнообразия.

Если в популяции обнаружено несколько фенотипов (m), значение частоты каждого фенотипа обозначим как р1, р2, р3…….р_m, т.е. сумма р1+ р2+ р3+…..р_m=1.

Показатель внутрипопуляционного разнообразия (М) или среднее число фенотипов рассчитывается по формуле:

М = (√р1 + √р2 +….√рm)²,

где р_m = n_m/N (р_m – частота фенотипа, n_m – количество особей в выборке с данным фенотипом, N – объем всей выборки).

Максимально возможное значение М = m, наблюдается при одинаковой частотности всех фенотипов (т.е. р1 = 1/m; р2 = 1/m; рm = 1/m). При неравномерном распределении частот фенотипов М < m . Чем сильнее отличие значения М от m, тем выше степень разнообразия признака.

Для показателя М вычисляли стандартную ошибку этой величины (ошибку случайности самого материала).

SM = √M(m-M)/N.

Если исследуется n независимых признаков, то можно определить среднее значение фенотипов в популяции по совокупности признаков как их среднеарифметическое:

М = 1/n×(М1 + ….. Мn)

Её ошибка будет соответствовать:

SM = 1/n√S²₁+ ….. S²_n.

М – дает оценку степени разнообразия в популяции.

1.3. Расчеты доли редких признаков.

Для оценки характера структуры разнообразия, т.е. определения соотношения между частотами наиболее редких и наиболее частых в выборке фенотипов рассчитывали показатель h, как доля редких признаков.

h =1-M/m,

где h всегда меньше 1. Если h ≈ 0, редкие фенотипы отсутствуют и распределение их частот равномерное.

Ошибка для показателя доли редких признаков:

Sh = √h(1-h)/N

1.4. Расчеты показателя сходства популяций.

Если сравниваются 2 популяции, то частоты в выборке из первой популяции р1, р2, р3…….рm, во второй – q₁, q₂…..q_m.

Объем выборок N₁ и N₂.

Показатель сходства

r = √ р1 q₁ + √ р2 q₂ + …√ р_m q_m.

Значение показателя сходства не превышает 1. Оно равно 1, когда популяции идентичны (по частотам признаков р1 = q₁; р2 = q₂ и т.д.). r = 0, когда сравниваемые популяции не имеют ни одного общего признака.

1.5. Сравнение выборок и оценка значимости.

Для выявления различий между выборками по частотам фенотипов использовали критерий «хи-квадрат» тест (χ²).

χ² = ^,

где – ожидаемые численности фенотипов, определяемые как = . Здесь суммарная численность всех k выборок – N = N₁+N₂+ … +N_k; суммарная численность фенотипа j во всех k выборках – n_j= n_1j+n_2j + … +n_kj; N_i – объем i выборки. Степень свободы ν = (k-1)(m-1).

Задача сравнения заключалась в статистической проверке нуль-гипотезы. Согласно этой нуль-гипотезы, генеральное распределение частот идентичны во всех группировках, а выборочные распределения вектор-частот р₁, р₂, …, р_m отличаются друг от друга только из-за эффекта случайности выборки. Если статистический критерий отвергает нуль-гипотезу, то тогда исследуемые выборки отличаются друг от друга по распределению частот изученных фенотипов.

Тестирование взаимосвязи признаков осуществляли по формуле:

χ² = ^,

где – = – ожидаемая численность особей фенотипов A_iB_j. Здесь число особей фенотипа A_iB_j, N_j – число особей фенотипа B_j, N_i – число особей фенотипа A_i.Степень свободы ν = (k-1)(m-1).

Пороговый уровень значимости критерия χ² оценивали при p<0.05.

Глава 2. Показатели популяционной изменчивости.

У отобранных по принципу случайности из популяций в начале и в конце лета особей колорадского жука были обнаружены 11 ожидаемых морф: 6 по переднеспинке (рис. 6) и 5 по надкрыльям (рис. 8). Основные показатели численности морф, среднее число морф и доля редких морф представлены в таблицах 1 и 2.

Рис. 6. Морфы А₁, А₂, А₃, А₄, А₅, А₆ на переднеспинке.

В ходе исследований было выявлено, что характер распределения частот морф в выборках неоднозначен.

У колорадских жуков отобранных из популяции в начале лета по рисунку на переднеспинке первоначально обнаружено лишь 4 типа морф, из которых доминирующими были А₁ и А₄. Значительно меньше встречались насекомые с морфами А₂ и А₃.

Таблица 1. Численность морф и меры М и h, определенные по окраске переднеспинки колорадского жука из двух выборок.

Рис. 7. Частоты морф, выявленные по окраски переднеспинки в двух выборках колорадского жука.

В конце лета, после обработки полей инсектицидами, соотношение частот морф стало несколько иным (рис. 7). Особи морфы А₁ увеличили свою долю в популяции в 1.5 раза, а особи морфы А₄ наоборот уменьшили долю в 3 раза. Почти неизменной осталась частота особей морф А₂ и А₃. Кроме того, в конце лета в популяции были отмечены особи новых ранее не встреченных морф А₅ и А₆, которые по значимости частот оказались достаточно редкими. В результате появления последних в популяции в 2 раза увеличилась доля редких морф (χ²=10.4, p<0.01), однако, при всём этом среднее число морф у исследуемых насекомых осталось неизменным (χ²=0.013, p>0.9). Низкое значение внутрипопуляционного разнообразия при максимальном числе морф (6) объясняется крайней неравномерностью распределения частот в выборке и сильным доминированием одной из морф (А₁). В целом различия двух выборок, сделанных в начале и конце лета по частотам морф окраски переднеспинки оказались высоко достоверными (χ²=20.5, p<0.001).

Совершенно иное распределение частот морфотипов прослеживается в популяциях по характеру окраски переднеспики.

В начале лета у исследованных колорадских жуков были обнаружены все 5 ожидаемые морфы. Морфа Р₁ оказалась доминирующей (рис. 8), при чем её численность превосходила другие морфы в 14 и более раз. Равная частота встреч отмечена для морф Р₂ и Р₅, а наименьшая – для Р₄.

В конце лета наблюдали выпадением из состава выборки особей с редкой в начале лета морфой Р₄. За счет этого показатель, оценивающий среднее число морф от начала к концу лета уменьшается, но такое изменение (различия) оказалось статистически не обоснованным (χ²=0.25, p<0.5). Также статистически недостоверным считается изменение и доли редких морф (χ²=1.98, p>0.1). Доминирующей в выборке по-прежнему остается морфа Р₁, тогда как все остальные редкие.

Таким образом, к концу лета заметного изменения в соотношении часто морфотипов по сравнению с таковым в начале наблюдений не происходит, что подтверждается и статистически: сравнение двух выборок показало, что различия между ними по частотам морф не достоверны (χ²=9.28, p>0.05).

Рис. 8. Морфы Р1, Р2, Р3, Р4, Р5 на надкрыльях.

Таблица 2. Численность морф и меры М и h, определенные по окраске надкрыльев колорадского жука из двух выборок.

Рис. 9. Частоты морф окраски надкрыльев в двух выборках колорадского жука.

В ходе изучения характера изменений частот морфотипов было выявлено, что наибольшей устойчивостью к воздействиям инсектицидов обладают морфы, обозначенные по окраске переднеспинке как А₁, а по окраске надкрыльев как Р₁. В период от начала к концу лета в выборках отмечается увеличение доли этих морф. У остальных морф доля остается неизменной, либо уменьшается.

Исходя из полученных результатов, складывается впечатление, что за исследуемый период наблюдений у колорадского жука изменения частот морф, определённые по окраске переднеспинки зависит от изменений частот морф, определенные по окраске надкрыльев. Для проверки этой гипотезы мы провели статистический анализ, который должен был показать насколько морфы группы А сопряжены (взаимосвязаны) с морфами группы Р. Для этого были составлены все возможные варианты сочетаний морфотипов и рассчитаны их частоты встречаемости в выборках (табл. 3 и 4).

В выборке колорадского жука, взятой в начале лета, число морфотипов составило 11 из 36 возможных вариантов сочетаний (30.5%), тогда как в конце лета всего 9 (25%).

Таблица 3. Частоты сочетаний морф групп А и Р в выборке колорадского жука, взятой в начале лета.

Таблица 4. Частоты сочетаний морф групп А и Р в выборке колорадского жука, взятой в конце лета.

Доминирующими в начале лета были морфы А₁Р₁ и А₄Р₁, все остальные оказались относительно редкими. В конце лета доля А₁Р₁ увеличилась в 2 раза, а доля А₄Р₁ уменьшилась в 3 раза. Практически не изменилась относительная численность морф А₁Р₃, А₁Р_5, А₂Р₁ и А₃Р_1. В конце лета в выборке не обнаружены – А₁Р₄, А₂Р₃, А₄Р₂, А₄Р₄.

Как отмечалось выше, в конце лета появились особи колорадского жука с морфами А₅ и А₆, которые в начале лета не отмечались. Из 12-и их возможных сочетаний с морфами по окраски надкрыльев в выборке присутствовали только А₅Р₁ и А₆Р₂.

В целом проведенный анализ показал, что изменения частот морф группы А сопряжены с изменениями частот морф группы Р как в первой, так и во второй выборке (χ²=469,8, p>0.001 и χ²=447,4, p>0.001, соответственно), что, вероятно, связано с генетическими особенностями наследования самих признаков.

Исходя из полученных результатов, можно заключить, что наибольшей устойчивостью и, следовательно, жизнеспособностью обладают особи с морфотипом А₁Р₁. Устойчивыми также можно считать морфы А₁Р₃, А₁Р_5, А₂Р₁ и А₃Р₁. Несмотря на редкий характер встречаемости, к концу лета они почти не изменили свою численность. Наконец, количество морф, которое никогда в выборках не отмечалось равно 18.

Заключение.

Заселение территории Пензенской области колорадским жуком проходило (по словам очевидцев) в период с 1973 по 1976 годы.

Колорадский жук в природе практически не имеет хищников и очень устойчив к действию различных абиотических факторов среды. В последнее время отмечается его высокая приспособленность и к применению ядохимикатов. Однако использование последних может существенно менять соотношение в популяции особей, являющихся носителями различных признаков, что позволяет оценить эффективность действия инсектицидов на насекомое.

В ходе изучения эпигенетического полиморфизма установлено, что характер окраски жуков в выборках, взятых в начале лета, до применения ядохимикатов и в конце лета, после применения ядохимикатов, неоднозначен.

У колорадских жуков отобранных из популяции в начале лета по рисунку на переднеспинке первоначально обнаружено лишь 4 типа морф, одни из которых доминируют, другие встречаются значительно меньше.

В конце лета, после обработки полей инсектицидами, соотношение частот морф стало несколько иным. Доминирующие морфы увеличили свою долю в популяции в 1.5 раза, а особи с редкими морфами наоборот уменьшили долю. Кроме того, в конце лета в популяции были отмечены особи новых ранее не встреченных морф, которые по значимости частот оказались достаточно редкими. В 2 раза увеличилась доля редких морф. Низкое значение внутрипопуляционного разнообразия при максимальном числе морф (6) объясняется крайней неравномерностью распределения частот в выборке и сильным доминированием одной из морф.

Совершенно иное распределение частот морфотипов прослеживается в популяциях по характеру окраски надкрыльев.

В начале лета у исследованных колорадских жуков были обнаружены все 5 ожидаемые морфы, среди которых также были обнаружена доминирующая, при чем её численность превосходила другие морфы в 14 и более раз, другие морфы встречались в наименьшей степени. В конце лета наблюдали выпадение из состава выборки особей с редкой в начале лета морфой. За счет этого показатель, оценивающий среднее число морф от начала к концу лета уменьшается, но такое изменение (различия) оказалось статистически не обоснованным. Также статистически недостоверным считается изменение и доли редких морф. Доминирующая морфа по-прежнему остается неизменной, тогда как все остальные редкие.

Процедура установления сопряженности изменения частот морф окраски переднеспинке с изменениями частот морф окраски надкрыльев показала достоверную их зависимость, как в первой, так и во второй выборке (χ²=469,8, p>0.001 и χ²=447,4, p>0.001, соответственно), что, вероятно, связано с генетическими особенностями наследования самих признаков.

Исходя из полученных результатов, можно заключить, что наибольшей устойчивостью и, следовательно, жизнеспособностью обладают особи с морфотипом А₁Р₁. Устойчивыми также можно считать морфы А₁Р₃, А₁Р_5, А₂Р₁ и А₃Р₁. Несмотря на редкий характер встречаемости, к концу лета они почти не изменили свою численность.

Выводы.

По результатам опросов колорадский жук на территории Пензенской области появился в 1973–1976 гг. В ходе исследования эпигенетического полиморфизма колорадского жука было выделено 6 морф (А₁–А₆) по окраске переднеспинки и 5 морф (Р₁–Р₅) по окраске надкрыльев.

Наибольшее число особей было представлено морфами А₁, А₄ и Р₁, тогда как остальные оказались редкими.

В конце лета после обработки полей инсектицидами доля редких морф в популяции, определённых по окраске переднеспинке, увеличилась в 2 раза, тогда как по окраске надкрыльев осталась неизменной. Также к концу лета в обоих случаях не изменилась и среднее число морф.

Различия выборок, сделанных в начале и в конце лета по частотам морф окраски переднеспинки оказались высоко достоверными, тогда как по окраске надкрыльев не достоверны.

Установлено, что изменения частот морф группы А сопряжены с изменениями частот морф группы Р как в выборке начала лета, так и в конце лета, что, вероятно, связано с генетическими особенностями наследования признаков.

Наибольшей устойчивостью и, следовательно, жизнеспособностью обладают особи с доминирующим по численности морфотипом А₁Р₁, а также с редкими морфотипами А₁Р₃, А₁Р_5, А₂Р₁ и А₃Р₁.

Литература.

Андрианова Н. С. Экология насекомых. М. изд. МГУ, 1970.

Добровольский Б. В. Фенология насекомых. М.: Высшая школа, 1969

Животовский Л. А. «Фенетика популяций» ИЗД «Наука», М. 1982г. под. ред. Яблокова.

Санин В. А. Колорадский жук. - М., Колос, 1976.

Ушатинская Р. С., 1981. Колорадский картофельный жук. Филогения, морфология, физиология, экология, адаптация, естественные враги. — М.: Наука.