КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-24-00166

НазваниеМикробиом, ассоциированный с опасным чужеродным вредителем - ясеневой изумрудной узкотелой златкой

РуководительБеньковская Марина Яковлевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет", Тверская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем

Ключевые словаясеневая изумрудная узкотелая златка, Agrilus planipennis, ЯИУЗ, нематоды, микроорганизмы, бактерии, ясень, Fraxinus, вредитель леса

Код ГРНТИ34.33.19

СтатусЗакрыт досрочно

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА Ясеневая изумрудная узкотелая златка (Agrilus planipennis) - это вредитель азиатского происхождения, который около 20 лет назад был непреднамеренно занесен в Северную Америку (первая находка - Мичиган, 2002 г.) и в Европу (первая находка - Москва, 2003 г.). С этого времени вид стал стремительно расселяться по обоим континентам, уничтожая миллионы ясеней. К настоящему времени он заселил всю восточную половину Северной Америки и 18 областей европейской части России, а также проник на Украину и вплотную приблизился к границам Евросоюза. Эффективного метода борьбы пока не найдено. Весьма вероятно, что златка, подобно некоторым другим стволовым вредителям, атакует деревья не в одиночку, а вместе с микроскопическими "союзниками" - микроорганизмами и нематодами. До настоящего времени эта гипотеза не была никем проверена. С другой стороны, мало известно о микроскопических естественных врагах златки. ЦЕЛЬ ПРОЕКТА - выяснить, какие микроскопические организмы: прокариоты, грибы и нематоды встречаются в организме и в личиночных ходах ясеневой изумрудной узкотелой златки в европейской части России и определить, какие из них могут быть "союзниками", а какие - естественными врагами вредителя. НАУЧНАЯ НОВИЗНА Данные по микробиому, связанному со златкой в Америке и Азии, фрагментарны, а микробиом, связанный со златкой в Европе, вообще не изучен. Мы планируем впервые установить, какие микроскопические организмы: прокариоты, грибы и нематоды обитают в организме златки в ее личиночных ходах в европейской части России. Кроме того, на базе имеющихся методик сбора и обработки материала по микробиому других стволовых вредителей, мы разработаем новые специальные методики сбора и обработки материала по микробиому златки. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Биологические инвазии - одна из самых острых экологических проблем современности, однако механизмы этого процесса слабо изучены. В последнее время развивается представление о том, что проникновение вида на новую территорию - это не просто следствие заноса и размножения за пределами естественного ареала, а сложный экосистемный процесс, в котором участвует много видов. Изучение микробиома, ассоциированного с инвазионным стволовым вредителем - ясеневой изумрудной узкотелой златкой, внесет вклад в познание экологических закономерностей инвазионного процесса. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Нашествие ясеневой изумрудной узкотелой златки - это масштабная биогенная катастрофа. Массовая гибель посадок ясеня в городах европейской части России ухудшает экологическое состояние городской среды и, следовательно, негативно влияет на здоровье жителей. Гибель ясеневых лесополос вокруг полей может привести к эрозии почв, а гибель придорожных лесополос лишает железные и шоссейные дороги защиты от снежных, пыльных и песчаных заносов и оползней. Кроме того, приближение златки к Кавказу ставит под угрозу ясеневые леса Кавказского биосферного заповедника и других уникальных природных территорий. Наш проект направлен на поиск биологических методов борьбы с этим вредителем, внесенным в единый перечень карантинных объектов Евразийского экономического союза, а также на выявление вредных организмов, которые атакуют ясень вместе со златкой. Таким образом, актуальность проекта очевидна, а его выполнение может внести вклад в развитие критической технологии № 21 "Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера". МЕЖДУНАРОДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ Златка представляет угрозу для всех ясеневых лесов Европы. Она внесена в список 20 карантинных видов, наиболее опасных для Евросоюза (list of 20 priority pests). Результаты нашего исследования будут востребованы службами защиты леса и карантина растений не только в России, но и всех европейских стран.

Ожидаемые результаты
ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Впервые будет установлено, какие микроскопические организмы обитают в теле и в ходах ясеневой изумрудной узкотелой златки в европейской части России, а также отработаны новые методики исследования: 1. Будет установлено, какие виды нематод паразитируют в имаго и личинках златки. 2. Будет установлено, какие виды фитонематод встречаются в личиночных ходах златки, а также в окружающей их древесине. Сравнение списков нематод, обнаруженных в ходах златки и вокруг них, со списками нематод, обнаруженных в неповрежденной древесине и в древесине, поврежденной другими факторами, позволит установить, какие нематоды относятся к естественному фону древесины ясеня, а какие ассоциированы со златкой. 3. Будет установлено какие таксономические группы прокариот и грибов обнаруживаются в организме и в личиночных ходах златки. Определение микроорганизмов будет проведено до уровня семейств, а в некоторых случаях - до вида. 4. Метаанализ данных с использованием сведений о микроcкопических организмах, ассоциированном с другими стволовыми вредителями, позволит сформулировать гипотезы о том, какие организмы находятся в мутуалистических экологических отношениях со златкой. 5. Весьма вероятно, что будут выявлены патогенные для златки прокариоты или грибы. 6. Могут быть выявлены чужеродные виды микроскопических организмов, проникшие в европейскую часть России вместе со златкой. 7. Будут отработаны методики сбора биологического материала для последующего изучения грибного и прокариотного микробиома, ассоциированного со златкой: сбор личинок, имаго, сбор проб древесины, окружающей личиночные ходы и буровой муки из этих ходов. Методика метагеномного исследования ДНК прокариотного и грибного микробиома короедов будет адаптирована для исследования микробиома, ассоциированного с ясеневой златкой. 8. Будет отработана методика паразитологического вскрытия личинок и имаго златки. Методики морфологического исследования паразитических нематод, а также методики исследования ДНК паразитических нематод будут адаптированы для исследования паразитов кишечника, полости тела и других органов златки. 9. Для выделения фитонематод из ходов златки будет адаптирован модифицированный вороночный метод Бермана. РАЗВИТИЕ НОВОЙ НАУЧНОЙ ТЕМАТИКИ Идея проекта в том, чтобы открыть новое направление исследований на стыке энтомологии, микробиологии и паразитологии. Наш небольшой коллектив состоит из сотрудников ИПЭЭ РАН, работающих в трех разных областях биологии: двух специалистов по чужеродным жесткокрылым, специалиста по прокариотам и грибам и специалиста по паразитическим нематодам. Мы рады, что благодаря конкурсу нового формата - конкурс малых научных групп - у нас есть шанс попробовать совершенно новое направление и сделать совместную междисциплинарную работу. Если работа пойдет успешно, мы планируем через два года подать заявку на новый, более масштабный проект по данному направлению. Объект исследования - микробиом, ассоциированный с ясеневой изумрудной узкотелой златкой - является новым для членов научного коллектива, да и в целом очень слабо изучен. Методы и подходы, ранее апробированные участниками проекта на других объектах, будут адаптированы для изучения этого микробиома.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
ИЗУЧЕНИЕ ОБЩЕГО СОСТАВА МИКРОБИОМА, АССОЦИИРОВАННОГО С ЛИЧИНКАМИ ЯСЕНЕВОЙ ИЗУМРУДНОЙ УЗКОТЕЛОЙ ЗЛАТКИ Собран материал для изучения микробиома, ассоциированного с личинками Agrilus planipennis в инвазионном ареале: г. Шаховская Московской области и Зеленоградский округ Москвы, а также в естественном ареале: г. Владивосток. Всего собрано 55 живых личинок из-под коры ясеня пенсильванского Fraxinus pennsylvanica, 20 проб древесины и 20 проб буровой муки из личиночных ходов. Проведено метагеномное исследование ДНК, выделенного из кишечника личинок. Впервые получены данные о составе бактериального микробиома этого вредителя в европейской части России. Всего нам удалось обнаружить 56 родов из 39 семейств, принадлежащих к пяти филумам: Acidobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria, Verrucomicrobia. В наших образцах доминировали представители семейств Pseudomonadaceae, Erwiniaceae и Enterobacteriaceae, что согласуется с данными исследования микробиома кишечника личинок A. planipennis, ранее полученными другими группами исследователей на материале, собранном в США (Vasanthakumar et al. 2008) и Китае (Liu et al. 2021). ПЕРВОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ СИМБИОНТОВ У ДАННОГО ВРЕДИТЕЛЯ Наиболее интересным нашим открытием явилось первое обнаружение у Agrilus planipennis внутриклеточных симбиотических бактерий. Прежде их не находили у данного вредителя ни в одном регионе. Нам удалось обнаружить в кишечнике личинок ДНК риккетсий (Rickettsia) и риккетсиелл (Rickettsiella). Обнаружение этих внутриклеточных микроорганизмов открывает перспективы для дальнейших исследований, так как взаимоотношения между внутриклеточными симбионтами и насекомыми бывают чрезвычайно тесными и сложными. В частности, известно, что риккетсии могут находиться с насекомыми в мутуализме: повышать плодовитость насекомых и иммунитет к грибным патогенам. Они также способны изменять соотношение полов в популяции, т.к. избирательно летальны для самцов. Риккетсиеллы же обычно рассматриваются как энтомопатогенные бактерии. Весьма вероятно, что они являются патогенными и для Agrilus planipennis, т.к. наибольшее количество ДНК риккетсиелл было обнаружено в мертвой предкуколке и мертвом имаго. ИЗУЧЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО АРЕАЛА ЯСЕНЕВОЙ ИЗУМРУДНОЙ УЗКОТЕЛОЙ ЗЛАТКИ НА КАВКАЗЕ В первом полугодии выполнения проекта у нас были сложности с получением реактивов для секвенирования ДНК. Мы тогда не были уверены, что нам удастся выполнить описанную выше работу по метагеномному изучению микробиома, поэтому решили на всякий случай выполнить другую работу, направленную на ту же общую цель, что и основная часть проекта: на изучение ясеневой изумрудной узкотелой златки Agrilus planipennis. Мы изучили потенциальный ареал этого вредителя на Кавказе по сочетанию двух факторов: наличие кормовых растений, т.е. ясеней (Fraxinus spp.), и сумма эффективных температур. Проанализировав 550 пунктов находки ясеней (Fraxinus spp.) на Кавказе, мы пришли к выводу, что ясень очень обычен по всему региону и встречается даже выше 1500 м. над уровнем моря. Вычисление суммы эффективных температур показало, что в пунктах, расположенных выше этой отметки, недостаточно тепла для развития A. planipennis. Таким образом, когда этот вредитель расселится на Кавказ, в пунктах произрастания на больших высотах ясень может остаться незараженным. Но такие пункты редки. В целом же анализ потенциального ареала и динамики расселения вида на юге показывает, что вредитель скоро появится на российском Кавказе и нанесет там большой ущерб. Во-первых, экосистемы лесов Кавказа могут быть серьезно нарушены, т.к. ясень – одна из основных древесных пород региона. Во-вторых, через российский Кавказ вредитель может быстро расселиться далее: в Грузию, Армению, Азербайджан, Турцию и по всему Ближнему Востоку. Барьера для такого дальнейшего распространения нет, т.к. ареалы аборигенных видов F. excelsior и F. angustifolia проходят сплошной полосой от Кавказа к Турции и далее. ОПУБЛИКОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Мы планировали представить результаты изучения микробиома на конференции NEOBIOTA в Тарту (Эстония) в сентябре 2022 г., однако не смогли поехать в Эстонию. Вместо доклада на конференции мы опубликовали статью в журнале Forests MDPI, в которой изложили те результаты, которые планировали доложить на конференции. Годовой план по публикациям перевыполнен. Нам удалось опубликовать две статьи в журнале Forests MDPI. В одной мы изложили результаты исследования бактериального микробиома в кишечнике личинок Agrilus planipennis. В другой - результаты исследования потенциального ареала Agrilus planipennis на Кавказе. После выхода каждой статьи мы представляли в пресс-службу РНФ материалы для пресс-релизов. Результатом нашего сотрудничества стал интерес журналистов и появление десятков статей, в том числе в центральной прессе.

 

Публикации

1. Вечерский М.В., Орлова-Беньковская М.Я, Кузнецова Т.А., Беньковский А.О. Discovery of Rickettsia and Rickettsiella Intracellular Bacteria in Emerald Ash Borer Agrilus planipennis by Metagenomic Study of Larval Gut Microbiome in European Russia Forests, Forests, 2022, 13, 974 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/f13070974

2. Орлова-Беньковская М.Я., Беньковский А.О. Southern Range Expansion of the Emerald Ash Borer, Agrilus planipennis, in Russia Threatens Ash and Olive Trees in the Middle East and Southern Europe Forests, Forests, 13, 541: 1-14 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/f13040541

3. - Микроорганизмы из кишечника насекомых-вредителей могут помочь в борьбе с ними Indicator, - (год публикации - )

4. - Ученые выявили в кишечнике насекомых-вредителей патогенные для них бактерии ИА Красная Весна Читайте материал целиком по ссылке: https://rossaprimavera.ru/news/f1c19ad6 Информационное агентство "Красная весна", - (год публикации - )

5. - Бактерий из кишечника опасного для деревьев жука планируют использовать для борьбы с ним Полит.Ру, - (год публикации - )

6. - Микроорганизмы из кишечника насекомых помогут бороться с вредителями Об этом сообщает "Рамблер". Далее: https://news.rambler.ru/science/49018725/?utm_content=news_media&utm_medium=read_more&utm_source=copylink Рамблер, - (год публикации - )

7. - Микроорганизмы из кишечника насекомых-вредителей могут помочь в борьбе с ними Поиск, - (год публикации - )

8. - Экологи сообщили о появлении жуков, вредящих ясеням, в окрестностях Кавказского региона ТАСС, - (год публикации - )

9. - Появление жуков, вредящих ясеням, в окрестностях Кавказского региона обнаружили экологи Аргументы недели, - (год публикации - )

10. - Лесам Кавказа угрожает ясеневая изумрудная узкотелая златка – опасный вредитель Поиск, - (год публикации - )

11. - Опасный вредитель ясеня угрожает лесам Кавказа Indicator, - (год публикации - )

12. - Появление жуков, вредящих ясеням, в окрестностях Кавказского региона обнаружили экологи Аргументы недели, - (год публикации - )

13. - Появление жуков, вредящих ясеням, в окрестностях Кавказского региона обнаружили экологи Russia24, - (год публикации - )

14. - ОПАСНЫЙ ВРЕДИТЕЛЬ ЯСЕНЯ УГРОЖАЕТ ЛЕСАМ КАВКАЗА Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) Научная Россия, - (год публикации - )

15. - Опасный жук-вредитель наступает на Кавказ Полит.ру, - (год публикации - )

16. - Наступление на Кавказ: китайский жук-вредитель угрожает ясеням, произрастающим в регионе Национальное информационное агентство экология, - (год публикации - )