Вредоносность Rhopolosiphum padi l. Для пшеницы в зависимости от обеспеченности растений азотом

С.Н. ПЕТРОВА1, К.В. ЦЕБИТЦ2, Н.В. ПАРАХИН1

В условиях теплицы на растениях пшеницы сорта Sobi (Германия), выращенных на различных фонах азотных удобрений, анализировали популяционные параметры и функциональную активность у черемуховой тли с использованием метода электрографической регистрации проникновения стилета насекомого в растение (EPG-диагностика). Показано, что изменение аттрактивности напрямую зависело от градаций азота. Наибольшие нарушения в фотосинтетическом аппарате растений при инвазии отмечали в вариантах N-75, N-100 и N-125, оптимальные условия питания для тли — в варианте N-75 (обеспеченность растений азотом 75 %), когда стилет тли более длительное время находился во флоэме. Для объективной оценки вредоносности EPG-диагностику следует сочетать с оценкой динамики численности популяции тли.

Ключевые слова: азотные удобрения, Rhopolosiphum padi, пшеница, параметры электрографической регистрации проникновения стилета тли (EPG-параметры), квантовый выход ФС II.

При воздействии на растение внешних факторов наблюдаемые последствия могут быть как прямыми, так и косвенными. Например, варьирование обеспеченности растения элементами минерального питания (в том числе азотом) способно повлиять на его пригодность как кормового субстрата (непосредственно), а также изменить нормы вредоносности и реакцию на повреждение (опосредованно) (1-3). Понимание природы и результата таких взаимодействий становится все важнее в связи с тем, что антропогенное влияние наиболее сильно обусловливает свойства объектов и эффект стрессоров в местных, региональных и глобальных масштабах.

Поскольку для растений умеренных широт азот зачастую представляет собой лимитирующий минеральный ресурс (4, 5), облегчая его доступность через внесение удобрений, можно существенно изменить эколого-трофические связи в агроэкосистеме (6-9). При этом нет однозначного мнения о воздействии азота, например, на тлей. Большая часть исследований по указанной тематике приходится на 1960-1980-е годы.

Мы предположили, что современные подходы к изучению поведения насекомых (электрографическая регистрация проникновения стилета насекомого в растение — EPG-диагностика) и функционального состояния растений (квантовый выход ФС II) позволят глубже понять взаимосвязь в системе растение—паразит при внесении минеральных азотных удобрений, что и послужило целью настоящей работы.

Методика. Эксперименты выполняли в 2006 году на базе Института фитомедицины Университета Хоенхайм (Universitaet Hohenheim, г. Штут-тгарт, Германия) в рамках совместной программы. Объектом исследований служили растения мягкой пшеницы Triticum aestivum L.сорта Sobi (Германия), которые выращивали в теплице при температуре воздуха 20±2 °С, относительной влажности 75 % и люминесцентном освещении. Для посева использовали пластиковые сосуды диаметром 12 см, в которых размещали по три растения. Почва глинистая со следующими агрохимическими показателями: рНCaCl — 7,3, содержание Р2О5, К2О и Mg — соответственно 6,7; 8,4 и 8,0 мг/100 г почвы, нитратного азота — 21 мг/кг почвы.

Для получения равномерно развитых растений их ежедневно поливали водой (75 мл/сосуд). Удобрения вносили согласно рекомендациям Института питания растений (Университет Хоенхайм) на основании оптимального плана для указанной почвы: Ca(NO3)2 — 0,5 M (170 мг N/кг почвы), Ca(H2PO4)2 — 0,1 M (29 мг P/кг почвы), K2SO4 — 0,5 M (70 мг K/кг почвы) и MgSO4 — 0,5 M (80 мг Mg/кг почвы). В питательных смесях содержание Ca(H2PO4)2, K2SO4 и MgSO4 было одинаковым (соответственно 13,9; 26,9 и 50,0 мл). Количество Ca(NO3)2 (минеральный азот) различалось по вариантам опыта: N-25, N-50, N-75, N-100 и N-125 — соответственно 25, 50, 75, 100 и 125 % от оптимума, или 44,02; 88,03; 132,05; 176,07 и 220,10 мл. Контролем служил вариант N-0 (без азота), не содержащий Ca(NO3)2 (0 мл). Питательную смесь смешивали с почвой. Опыт закладывали в 16-кратной повторности.

В качестве вредителя пшеницы была выбрана черемуховая тля Rhopolosiphum padi L. Насекомых разводили на растениях сорта Sobi в условиях теплицы при 20 °С. Для получения развитого потомства использовали пластиковые клетки (Æ 3,5 см), которые фиксировали на листе растения с помощью прищепки и тонкой деревянной рейки. Опыт синхронизировали: на каждое растение помещали по 10 женских особей, которые в течение суток давали потомство, после чего взрослых тлей отсаживали. Потомство, развившееся до стадии имаго, использовали в эксперименте.

Определение функциональной активности фотосистемы II (ФС II) проводили, как описано (10), с помощью системы измерения флуоресценции хлорофилла MINI-PAM («Walz», Германия). Прибор детектирует изменение этого показателя в листьях в ответ на стресс и может применяться для оценки квантового выхода, что позволяет судить о фотосинтетической продуктивности растения.

Электрографическая регистрация проникновения стилета тли в ра-стение, впервые предложенная D.L. McLean с соавт. (11), была использована нами в более поздней доработанной модификации (12, 13), получившей название «electrical penetration graph» (EPG). Детекцию параметров выполняли в лаборатории при температуре 20±1 °С и искусственном освещении. При определении ЕPG-параметров растение и насекомое были интегрированы посредством тонкой золотой проволоки, зафиксированной на брюшке тли каплей серебрянки. Проволока с помощью тонких медных проводников присоединялась через микроманипуляторы к усилителю. Для защиты от видимого напряжения поля исследования выполняли в специальных клетках. При проникновении стилета тли в ткань растения цепь замыкается и возникают электрические сигналы. По их частоте и амплитуде судили об активности сосущего аппарата тли и определяли, в какой ткани растения находится стилет. Измеренный электрический сигнал через усилитель передавался на компьютер, где осуществлялась его оцифровка и запись.

Для анализа полученных данных использовали программное обеспечение Software Stylet 2.3 (13).

Результаты. Через 14 сут после заселения фитофагов существенной разницы в их численности между вариантами с обеспеченностью азотом 50, 75 и 125 % не наблюдали, через 24 сут азот во всех испытанных дозах способствовал увеличению числа тлей, затем показатель начал снижаться (рис. 1). При этом рост популяции насекомых прямо зависел от обеспеченности растений азотом: стимулирующее действие азота в вариантах N-50 и N-75 было сопоставимым, а наибольшей аттрактивностью обладали растения в вариантах N-100 и N-125.

Электрографическая регистрация (EPG) проникновения стилета тли в растение позволяет изучать процессы ее питания: EPG-параметры A, В и C отражают электрический контакт и активность сосущего аппарата на этапе проникновения от эпидермиса через мезофилл к флоэме, параметр E характеризует слюноотделение во флоэму и питание соком флоэмы (отъем сока), параметры F и G — соответственно механическую работу сосущего аппарата (для всех тканей) и активный отъем воды из ксилемы.

Р ис. 1. Заселенность растений мягкой пшеницы Triticum aestivum L. сорта Sobi черемуховой тлей Rhopolosiphum padi L. в зависимости от фона азотных удобрений: 1-6 — соответственно 0 (контроль), 25, 50, 75, 100 и 125 % от оптимума (варианты N-0, N-25, N-50, N-100 и N-125).

Детекция EPG показала, что наиболее активно тли питались на растениях в контроле и вариантах N-75, N-100 и N-125. Причем при обеспеченности растений азотом 75 % отмечали самую высокую продолжительность нахождения стилета тли во флоэме (46 % времени), что существенно отличалось от показателя во всех других вариантах (рис. 2).

В то же время высокая активность тли в вариантах N-0, N-100 и N-125 обеспечивалась не за счет питания во флоэме, а вследствие длительного нахождения сосущего аппарата между эпидермисом и ситовидными трубками, а также отъема воды из ксилемы. При 25 и 50 % обеспеченности азотом отмечалась наименьшая активность насекомых: в течение 23-30 % времени (из 2,5 ч регистрации EPG) проникновение стилета в ткани растений не регистрировали.

Рис. 2. Длительность нахождения стилета черемуховой тли Rhopolosiphum padi L. в тканях растений мягкой пшеницы Triticum aestivum L. сорта Sobi по вариантам опыта в зависимости от фона азотных удобрений (на основании оценки EPG-параметров): N-0, N-25, N-50, N-100 и N-125 — соответственно 0 (контроль), 25, 50, 75, 100 и 125 % от оптимума; а, б, в — соответственно параметры F + G (характеризуют механическую работу сосущего аппарата в тканях и активный отъем воды из ксилемы), E (регистрирует слюноотделение во флоэму и питание соком флоэмы), np (отражает отсутствие проникновения стилета в ткани).

Повышение активности тли при увеличении дозы азота заметно сказалось на функциональном состоянии фотосинтетического аппарата у растений озимой пшеницы. Во всех вариантах растения отвечали на усиление инвазии тлей снижением квантового выхода ФС II (рис. 3). Если эффективность фотосинтеза при недостаточной обеспеченности азотом и, соответственно, незначительной инвазии фитофага снизилась в среднем на 20 %, то в вариантах N-75, N-100 и N-125 — в 2 раза. Однако повреждения, наносимые тлей фотосинтетической системе растений, в вариантах N-50 и N-75 (при практически одинаковой численности популяции фитофага), судя по значениям коэффициента квантового выхода ФС II, существенно различались. В то же время инвазия Rh. padi при избытке азота в меньшей степени ингибировала первичные реакции фотосинтеза, чем при оптимальной обеспеченности этим элементом минерального питания (N-100).

Вредоносность насекомых, как известно, определяется как силой воздействия фитофага, так и ответными реакциями растения (14). Поэтому мы попытались проанализировать взаимоотношения между растением и насекомым-вредителем на основе не только наблюдения за численностью тлей, но и изучения функциональных характеристик обоих организмов в зависимости от условий азотного питания растений.

Р ис. 3. Квантовый выход ФС II (Yield) у листьев растений мягкой пшеницы Triticum aestivum L. сорта Sobi, не заселенных (а) и заселенных (б) Rhopolosiphum padi L., по вариантам опыта в зависимости от фона азотных удобрений: N-0, N-25, N-50, N-100 и N-125 — соответственно 0 (контроль), 25, 50, 75, 100 и 125 % от оптимума.

Предположение, что количество азота, вносимого под пшеницу, будет влиять на рост популяции тли, в наших экспериментах подтвердилось. Это согласуется с выводами ряда авторов, отмечавших положительное воздействие азотных удобрений на рост, развитие и репродуктивность тлей (15-19), в частности Rh. padi (20, 21). Следует, однако, отметить, что число поколений тли, по нашим данным (см. рис. 1), не зависело от градаций фона азотного питания. Аналогичные результаты получили H.-Ch. Hanisch (22), A.M. Dewar (23), R. Kowalski и P.E. Visser (24), К. Grueber (25), R. Barros с соавт. (26), отмечавшие одинаковый эффект разных доз азотных удобрений на численность тли. В то же время стоит подчеркнуть, что в полевых условиях тенденция роста популяции и репродуктивности тли проявляется далеко не всегда, что продемонстрировали J.F. Henderson и J.N. Pery (27), А. Jungk (28) и G.G. Simpson (1966), объясняя это токсической концентрацией нитратов и ионов аммония во флоэмном соке. Вероятнее всего, в природном биоценозе увеличение популяции тлей привлекает их паразитов, например Praonvolucre и Aphelinus sp. (19, 29-31). Кроме того, сообщается (32), что в лабораторных условиях число крылатых особей, как правило, ниже, чем в полевых.

В наших опытах вредоносность тлей зависела не только от числа, но и от активности особей. Несмотря на то, что общая активность тлей в контроле и вариантах N-75, N-100 и N-125 была практически идентичной, этот эффект был обусловлен разными причинами. В контроле отсутствие азота заставило тлю 65 % времени потреблять из ксилемы воду ввиду низкой питательности субстрата, тогда как в варианте N-125, вероятнее всего, избыток азота вызвал повышение осмотического давления клеточного сока или утолщение кутикулы (6). Например, J.A. Bethkel с соавт. (33), исследовавшие влияние уровней азота на тлю дыни Aphisgossypii Glover, сделали вывод, что доза азота 240 мг/л приводила к снижению активности насекомых из-за повышения концентрации клеточного сока и содержания растворимого белка. Это заключение также подтверждают U. Schuch с соавт. (34).

Разумеется, повреждения, нанесенные фотосинтетической системе растения в контрольном варианте, были существенно ниже, чем при повышенном азотном фоне (N-125), где число насекомых в популяции доходило до 320. Интересно, что на растениях пшеницы с обеспеченностью азотом 50 и 75 % особи Rh. padi в период кормления существенно различались по активности при сопоставимой численности колоний. Наибольшая продолжительность нахождения стилета тли во флоэме при увеличении дозы азотных удобрений на 25 % относительно оптимума была, вероятнее всего, связана с изменением направленности обмена веществ, соотношения аминокислот и углеводов в тканях растения (25, 35-38). Причем для тли такие растения более привлекательны в качестве кормового субстрата. Вместе с тем при действии азотных удобрений ускоренный рост растений способствует уменьшению толщины клеточных стенок при одновременном увеличении размеров клетки, что делает ткани более мягкими. Следовательно, они становятся доступнее для прокола стилетом тли, а повреждения от инвазии в таких вариантах всегда выше (N-75 и N-100). Таким образом, у растений аттрактивность либо репеллентность при подкормке минеральными удобрениями может быть обусловлена изменениями биохимического состава и запаховой оболочки, а также физических и механических свойств.

Итак, учет функционального состояния насекомых и растений служит наиболее объективным приемом оценки степени вредоносности, поскольку общепринятый подсчет особей зачастую не дает полной информации. В наших исследованиях фон азотного питания обусловливал вредоносность тли. В результате 175 насекомых в варианте N-75 наносили больший вред, чем 300 особей в варианте N-100, и снижали эффективность фотосинтетического аппарата растений в 2 раза.