Умный контроль численности чешуекрылых филлофагов-вредителей.

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 проекта 23-66-10015

НазваниеУмный контроль численности чешуекрылых филлофагов-вредителей.

Руководитель Мартемьянов Вячеслав Викторович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова чешуекрылые, биологический контроль численности, защита растений, насекомые-вредители, динамика численности, феромонный мониторинг, дистанционное зондирование земли, энтомопатогенные вирусы

Код ГРНТИ68.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основная цель нашего проекта – предложить систему рационального, безопасного и относительно универсального контроля чешуекрылых как в агробиоценозах, так и в естественных лесных ценозах. Данная цель определяется проблемой формирующейся резистентности насекомых-вредителей к химическим препаратам, массово применяющимся в настоящее время. Кроме того, имеется серьезная проблема в низкой степени автоматизации процесса мониторинга вредителей, что в значительной степени ограничивает развитие биологических методов контроля численности. В первую очередь это относится к позднему принятию решения о проведении обработки, когда использование химических инсектицидов является единственной мерой. Заявляемый проект предполагает проведение междисциплинарного исследования, с выделением как фундаментальных научных задач, так и задач технологических. В рамках проекта будет выполнены задачи по улучшению системы наблюдения за чешуекрылыми вредителями для своевременного принятия решения, а также предложен комплекс новейших препаратов для эффективной защиты растений. Наши предварительные исследования совместно с коллегами математиками показали, что динамика численности некоторых видов чешуекрылых предсказывается определенными математическими моделями, вне зависимости от локации популяций (Soukhovolsky et al., under review). Соответственно, в случае подтверждения работоспособности этих моделей для других экономически важных чешуекрылых, их можно использовать для оперативного предсказания нарастания численности, опираясь только на данные предыдущих учетов. Для облегчения работы с архивными данными мы свяжем динамику численности изучаемых видов (через наносимые повреждения) с характеристиками отклика нормированного вегетационного индекса, многолетние спутниковые записи которого есть на серверах MODIS, с суточными данными по погоде. Данная связь для представителей чешуекрылых нами уже была продемонстрирована ранее (Kovalev, Soukhovolsky 2021). С помощью подобных подходов можно существенно автоматизировать физический труд учетчиков. Ключевой задачей проекта является разработка комплекса биологических (вирусных) препаратов, которые закроют основные недостатки бактериальных препаратов, а по стоимости – приблизятся к химическим препаратам. Основой для решения данной задачи послужит недавно открытый нами штамм вируса цитоплазматического полиэдроза сибирского шелкопряда (ВЦП СШ, сем Reoviridae), который демонстрирует уникальные свойства, невероятно привлекательных для выбора его в качестве эффективного кандидата (Martemyanov et al., under revision, Tokarev et al., under review). Кроме того, нами будут рассмотрены и представители сем Baculoviridae - для решения более узких задач с высокой степенью важности (например, виды, инвазивные для территории нашей страны). В рамках создания основ для вирусных препаратов специалистами в области сельского хозяйства, биологами и партнерами гидробиологами будет осуществлен комплекс работ, направленных на оценку круга восприимчивых хозяев (на сегодняшний день установлены 7 видов восприимчивых хозяев для ВЦП СШ), оценку их нецелевого воздействия, оценку путей повышения потребительских качеств создаваемого продукта (снижение себестоимости, повышение стабильности применения). На выходе проекта мы получим программу экологически безопасного контроля численности чешуекрылых вредителей, поэтому отдельный акцент в нашем проекте мы ставим на всестороннем изучении воздействия вирусной основы препарата на нецелевые объекты. В качестве максимально чувствительных агентов будут использованы эндемики-гидробионты озера Байкал. Конечным итогом вирусологического блока будет рецептура экспериментальных продуктов и технологии применения на местах. Таким образом, консолидируя специалистов разных отраслей мы хотим разработать комплексные научные и технологические решения для создания эффективной системы предсказания и экологически безопасного контроля численности чешуекрылых видов-вредителей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ковалев А.В., Суховольский В.Г., Тарасова О.В., Аханаев Ю.Б., Мартемьянов В.В. Remote sensing indicators of spongy moth (Lymantria dispar L.) damage to birch stands in Western Siberia Forests, MDPI, Forests 2023, 14, 2308 (год публикации - 2023)
10.3390/f14122308

2. Суховольский В.Г., Ковалев А.В., Иванова Ю.Д., Тарасова О.В. Autoregression, First Order Phase Transition, and Stochastic Resonance: A Comparison of Three Models for Forest Insect Outbreaks Mathematics, MDPI, Mathematics 2023, 11, 4212. (год публикации - 2023)
10.3390/math11194212

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Работа текущего года выполнения Проекта была посвящена в частности оценке устойчивости динамики популяций лесных насекомых с помощью авторегрессионных (AR(2)) моделей динамики численности популяций. Расчет параметров AR(2)-моделей показал, что коэффициенты обратных связей для разных популяций колеблются в достаточно узких пределах. Значимых различий в регуляторных коэффициентах и величинах запаса по устойчивости для популяции с большими и малыми вариациями плотностей популяций не наблюдалось и эти значения для разных популяций были близки друг к другу. Мы показали, что для популяций вне области наблюдаемых значений коэффициентов мощность спектральных функций и частота колебаний плотностей популяций малы, а для рассмотренных популяций период колебаний близок к 10 годам. Обнаруженные свойства могут характеризовать общие свойства популяций лесных насекомых-филлофагов. Предложенная модель может быть широко востребованной, т.к. при крайне невысоких требованиях к входящей информации (учет численности вредителя) способна выполнять достаточно точные прогностические функции для вредителей естественных экосистем. Кроме этого, было показано, что восприимчивость характеристик фотосинтетического аппарата дерева к изменению температуры среды в течение сезона может быть описана интегральным уравнением свертки и рассчитана по данным дистанционного зондирования. Это открывает возможность оценок таких показателей для любого участка планеты, покрытого растительностью. Для лесных насаждений Сибири показано, что за несколько лет до успешной атаки насекомых реакция древостоя, в будущем подвергшегося нападению вредителей, в ответ на изменение окружающей среды (в нашем случае – температуры подстилающей поверхности) качественно изменяется. Предложенные расчетные показатели непосредственно перед вспышкой массового размножения лесных насекомых существенно отличаются от аналогичных показателей предшествующих лет. Используя предложенную методику оценки устойчивости насаждений, можно прогнозировать реализацию вспышки размножения насекомых на определенной территории и оптимизировать лесозащитные мероприятия. Отдельный блок работ был посвящен изучению высокой вирулентности вируса DsCPV1 (цитоплазматический полиэдроз сибирского шелкопряда) и проверке его безопасности для нецелевых видов. Наша команда провела серию исследований, направленную на изучение возможности вируса реплицироваться в гидробионтах, опылителях и энтомофагах. Все они способны выживать на фоне повышенной контоминации DsCPV-1 (Belevitch et al., 2024, Scientific reports). Важный момент, который нам удалось доказать – отсутствие репликации вирусной РНК в нецелевых хозяевах. В настоящее время мы прорабатываем влияние вируса на позвоночных, совместно с коллегами из Иркутска.

Публикации

1. Румянцева А., Агеев А., Игнатьева А., Якимова М., Харламова Д., Мартемьянов В., Токарев Ю. Microsporidia-cypovirus interactions during simultaneous infection of the tree defoliator Dendrolimus sibiricus (Lepidoptera: Lasiocampidae) Elsevier, Journal of Invertebrate Pathology, Vol 207, 108199 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jip.2024.108199

2. Суховольский В., Ковалев А., Горошко А., Иванова Ю., Тарасова О. Monitoring and Prediction of Siberian Silk Moth Dendrolimus sibiricus Tschetv. (Lepidoptera: Lasiocampidae) Outbreaks Using Remote Sensing Techniques MDPI, Insects 2023, 14, 955 (год публикации - 2023)
10.3390/insects14120955

3. Суховольский В., Ковалев А., Тарасова О., Иванова Ю. Forest Insect Outbreak Dynamics: Fractal Properties, Viscous Fingers, and Holographic Principle MDPI, Forests 2023, 14, 2459. (год публикации - 2023)
10.3390/f14122459

4. Белевич О., Юрченко Ю., Харламова Д., Шаталова Е., Агриколянская Н., Субботина А., Игнатьева А., Токарев Ю., Мартемьянов В. Ecological safety of insecticide based on entomopathogenic virus DsCPV-1 for nontarget invertebrates Nature, Sci Rep 14, 29093 (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-024-78471-7

5. Ковалев А., Тарасова О., Суховольский В., Иванова Ю. Is It Possible to Predict a Forest Insect Outbreak? Backtesting Using Remote Sensing Data MDPI, Forests 2024, 15, 1458 (год публикации - 2024)
10.3390/f15081458

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для описания смертности насекомых под воздействием вирусов предложена модель кривой выживаемости насекомых. Данная модель может быть использована для оценки влияния токсических агентов на популяцию жертв для самых разнообразных видов токсикантов и популяций. Преимущество данной модели по сравнению с классическим пробит или логит моделями является в относительно точном предсказании эффективной дозы при незначительном количестве референсных доз. Проектом предложен подход к описанию уловистости феромонных ловушек, позволяющий единым образом описать данные учетов уловистости феромонных ловушек в разных местообитаниях. Унификация описания процессов лёта позволяет классифицировать эти процессы и сопоставлять их характеристики. Предприняты попытки модификации подхода для удаленного выявления очагов размножения лесных вредителей для его использования в мониторинге вредителей сельхозугодий. В частности, для оценки состояния посевов вычислялись функции плотности распределения по NDVI для выделенной территории. Далее для количественной оценки влияния насекомых на посевы вычислялось расстояние Кульбака-Лейблера (KL) функции плотности распределения NDVI конкретных полей (опыт) со стандартной функцией распределения NDVI в норме (контроль). Этот подход позволяет оценить состояние посевов даже по однократным дистанционным наблюдениям, что важно для технологизации данного подхода. Доказана высокая эффективность горизонтальной передачи вируса DsCPV-1, что открывает перспективы использования данного вирусного препарата не только как биоинссектицида, но и как хорошего естественного регулятора, который может инициировать регуляторные процессы в популяциях вредителей (возникновение эпизоотии) при локальных, «посевных» внесениях. Важно отметить что данный подход должен быть эффективным против основного хозяина, сибирского шелкопряда, но с высокой степенью вероятности будет слабо применим для альтернативного хозяина, непарного шелкопряда, с которым эффективнее будет проводить классические сплошные обработки. Нами показано, что зона вредоносности важнейшего вредителя с/х культур, хлопковой совки уверенно продвигается в северном направлении и уже достигает средней полосы России, тогда как зона распространения этого вредителя и вовсе достигла Северо-Западного Федерального Округа. Отдельный блок работ был посвящен изучению высокой вирулентности вируса DsCPV1 (цитоплазматический полиэдроз сибирского шелкопряда) и проверке его безопасности для нецелевых видов. В настоящее время мы прорабатываем влияние вируса на позвоночных, совместно с коллегами из Иркутска. Выявлены верхние пределы допустимых концентраций препарата для амфипод и коттоидных рыб и показан слабый негативный эффект сопутствующей микрофлоры матрицы для доставки вируса на гидробионтов.

Публикации

1. Суховольский В.Г., Ковалев А.В., Тарасова О.В., Мартемьянов В.В. Регуляторные характеристики динамики плотности популяций лесных насекомых и возможные причины наблюдаемого узкого диапазона этих характеристик Chaos, Solitons and Fractals, Soukhovolsky V. G., Kovalev A. V., Tarasova O. V., Martemyanov V. V. Regulatory characteristics of population density dynamics of forest insects and possible reasons for the observed narrow range of such characteristics // Chaos, Solitons and Fractals. — 2025. — Vol. 191. — Art. 115949. — DOI: 10.1016/j.chaos.2024.115949 . (год публикации - 2025)
10.1016/j.chaos.2024.115949

2. Суховольский В.Г., Тарасова О.В., Ковалев А.В., Иванова Ю.Д. , Павлушин С.В., Аханаев Ю.Б., Мартемьянов В.В. Популяции лесных насекомых: моделирование критических событий как фазовых переходов первого и второго рода Ecological Modelling., Soukhovolsky V. G., Tarasova O. V., Kovalev A. V., Ivanova Yu. D., Pavlushin S. V., Akhanaev Y. B., Martemyanov V. V. Forest insect populations: Modeling of critical events as first- and second-order phase transitions // Ecological Modelling. — 2025. — Vol. 504. — Art. 111090. — DOI: 10.1016/j.ecolmodel.2025.111090 (год публикации - 2025)
10.1016j.ecolmodel.2025.111090

3. Суховольский В.Г., Ковалев А.В., Тарасова О.В., Куренщиков Д.К., Токарев Ю.С., Харламова Д.Д., Аханаев Ю.Б., Павлушин С.В., Мартемьянов В.В. Моделирование влияния вирусов на выживаемость насекомых: использование модели фазового перехода второго порядка для описания зависимостей «время–эффект» и «доза–эффект» на примере энтомопатогенных вирусов Insects., Soukhovolsky, V.; Kovalev, A.; Tarasova, O.; Kurenshchikov, D.; Tokarev, Y.; Kharlamova, D.; Akhanaev, Y.; Pavlushin, S.; Martemyanov, V. Modelling the Effect of Viruses on Insect Survival: Using a Second-Order Phase Transition Model to Describe Time–Effect and Dose–Effect Relationships Using Entomopathogenic Viruses as an Example. Insects 2025, 16(10), 1023. (год публикации - 2025)
10.3390/insects16101023

4. Субботина А.О., Черняк Е.Л., Суховский В.Г., Морозов С. ., Мартемьянов В.В. Изменчивость в широтном градиенте содержания конститутивных химических защитных соединений у кормовых растений непарного шелкопряда (Lymantria dispar): березы повислой (Betula pendula) и лиственницы сибирской (Larix sibirica) Forest Ecology and Management, Subbotina, A., Chernyak, E., Soukhovolsky, V., Morozov, S., & Martemyanov, V. (2025). Latitudinal variation in constitutive chemical defense compounds in two host plants of Lymantria dispar (Lymantriidae): Betula pendula (Betulaceae) and Larix sibirica (Pinaceae). Forest Ecology and Management, 590, 122811. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2025.122811 (год публикации - 2025)
10.1016/j.foreco.2025.122811

5. Субботина А.О., Мартемьянов В.В., Белоусова И.А. Атипичный патогенез DsCPV-1 у перспективного объекта для массового разведения Manduca sexta (Lepidoptera: Sphingidae) Journal of Economic Entomology, Subbotina A. O., Martemyanov V. V., Belousova I. A. Atypical pathogenesis of DsCPV-1 in candidate for mass production Manduca sexta (Lepidoptera: Sphingidae) // Journal of Economic Entomology. 2025. Vol. XX, no. XX. P. 1–5. DOI: 10.1093/jee/toaf047 . (год публикации - 2025)
10.1093/jee/toaf047