Трансформация терпеновых соединений хвои гусеницами сибирского шелкопряда Dendrolimus superans sibiricus (Lepidoptera, Lasiocampidae)
УДК 595.787: 591.133.1
А. А. Алексеев*, Т. Н. Комарова**, А. В. Ткачев**, Л. М. Покровский**
*Институт химической кинетики и горения СО РАН,
г. Новосибирск, Россия, E-mail: alekseev@nioch.nsc.ru
**Новосибирский институт органической химии СО РАН,
г. Новосибирск, Россия, E-mail: komarova@nioch.nsc.ru
Сибирский шелкопряд Dendrolimus superans sibiricus Tschetverikov (1908) (Lepidoptera, Lasiocampidae) является опасным вредителем хвойных лесов Сибири и Дальнего Востока. Для этого вида характерны периодические вспышки массового размножения, во время которых почти полностью уничтожается хвоя и происходит гибель деревьев. Главным последствием вспышек является деструкция лесных экосистем. На больших территориях происходят необратимые изменения биологического разнообразия и биогеохимических циклов, в том числе круговорота углерода. Процесс восстановления лесов протекает чрезвычайно медленно. Из-за большого количества экскрементов гусениц, поступающих в почву, происходят изменения ее химического состава. В процессе питания гусеницы метаболизируют значительную часть терпеноидов, однако достаточно большое количество их выделяется в неизмененном виде с экскрементами. Химический состав экскрементов гусениц сибирского шелкопряда практически не изучен. Терпеноиды хвои и продукты их ферментативной трансформации являются биологически активными соединениями и могут влиять на различные компоненты биоценоза. Представленная работа открывает серию исследований по трансформации химических соединений хвои гусеницами сибирского шелкопряда.
Все эксперименты проводились на гусеницах лабораторной линии сибирского шелкопряда, которая была получена из природной популяции. Гусениц, собранных в темнохвойной тайге (основные породы – пихта, кедр и ель) на севере Новосибирской обл., выкармливали в лаборатории на пихте. После коконирования и окукливания коконы вскрывали, куколок содержали в садках до вылета бабочек; оплодотворенных самок отсаживали для получения яйцекладок; вышедших из яиц гусениц рассаживали в соответствии с вариантами экспериментов. Все исследования проводились на гусеницах 4–5 возрастов лабораторной линии. Гусениц кормили свежими побегами соответствующего кормового растения, корм предоставлялся в избытке и менялся ежедневно. Световой режим составлял 17 ч света: 7 ч темноты, температура +22±1°С, относительная влажность воздуха 60–70 %.
За три дня до начала эксперимента гусениц пересаживали с основного кормового растения (пихты), в соответствии с вариантом опыта, на сибирский кедр Pinus sibirica, пихту Abies sibirica или ель Picea obovata. В день эксперимента навески из 1 г свежих экскрементов и хвои соответствующего растения помещали в пенфлакон, заливали 4 мл гексана, герметично закрывали и настаивали в течение 24 ч при комнатной температуре.
В течение трех дней с момента пересадки гусениц на соответствующее кормовое растение проводили ежесуточное взвешивание корма, гусениц и экскрементов. Для вычисления точного веса корма и экскрементов в опыте делали поправку с учетом их усыхания в течение эксперимента. Коэффициент утилизации корма (КУ) определяли как отношение количества усвоенной пищи к количеству съеденного корма. С помощью КУ рассчитывали отношение между количеством поглощенных с пищей и экскретированных соединений.
Химический состав эфирного масла исследовали методом хромато-масс-спектрометрии на газовом хроматографе Hewlett–Packard 5890/II с квадрупольным масс-спектрометром (HP MSD 5971) в качестве детектора. Применяли 30 м кварцевую колонку НР–5 (сополимер 5%-дифенил–95%-диметилсилоксана) с внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0,25 mм. Качественный анализ основан на сравнении времен удерживания и полных масс-спектров с соответствующими данными компонентов эталонных масел и чистых соединений, если они имелись, и с данными библиотеки масс-спектрических данных Wiley275 (275 000 масс-спектров) и каталогов. Содержание компонентов вычисляли по площадям газохроматографических пиков без использования корректирующих коэффициентов. Поскольку подготовка и анализ всех образцов проводились одинаково, мы получили количественные значения содержания каждого соединения, выраженные в условных единицах, представляющих собой значения площадей хроматографических пиков.
Хвоя кедра, пихты и ели существенно различалась по количественному и качественному составу терпенов. Суммарное содержание терпенов было максимальным в хвое пихты, где оно было в 39 раз выше, чем в хвое кедра и в 8 раз выше, чем в хвое ели. Наши результаты показали, что гусеницы метаболизируют большую часть терпенов хвои, их общее количество в экскрементах снижается примерно в 3, 6 и 8 раз при питании хвоей ели, пихты и кедра соответственно.
Среди изученных кормовых растений хвоя сибирского кедра содержит как наименьшее суммарное количество терпенов, так и минимальное их разнообразие. Содержание всех исходных соединений сильно снижается, а гермакрадиенол, один из минорных компонентов эфирного масла хвои, в экскрементах не обнаруживается.
При питании пихтой большая часть терпенов метаболизируется, их количество резко сокращается, исключение составляет борнеол, количество которого в экскрементах возрастает в 2 раза. Наиболее вероятной причиной этого является ферментативный гидролиз борнилацетата, являющегося одним из основных компонентов эфирного масла пихты.
Состав экстрактов хвои и экскрементов гусениц при питании елью отличается рядом особенностей. В отличие от кедра и пихты легко летучие терпены (трициклен, альфа- и бета-пинен, камфен, сабинен, мирцен, лимонен, 1,8-цинеол, камфора и альфа-терпинеол) в экскрементах исчезают полностью. Количество борнеола увеличивается в 4 раза. Присутствие в экскрементах 3-гидрокси-1,8-цинеола, которого нет в хвое, может быть следствием ферментативного гидроксилирования 1,8-цинеола, являющегося одним из основных терпенов хвои ели. Содержание оплопанона и эпиторулозола также повышается, причем последнего практически в два раза, маноилоксид, эпи-маноилоксид и неидентифицированный пока дитерпен практически не усваиваются. Для ели, как и для пихты характерно появление в экскрементах небольшого количества фитола, отсутствующего в хвое изученных растений. Кроме того, появляется неидентифицированный пока дитерпен, также отсутствующий в хвое ели.
Как мы видим, ферментные системы гусениц сибирского шелкопряда успешно справляются с широким спектром терпеновых соединений, содержащихся в хвое кормовых растений. При этом они способны метаболизировать большой их количественный диапазон – пихта и кедр, являющиеся главными и наиболее предпочитаемыми кормовыми растениями сибирского шелкопряда в темнохвойной тайге, различаются почти в 40 раз по суммарному содержанию терпенов в хвое.
В литературе, посвященной химической защите растений от насекомых, в качестве систем детоксикации, позволяющих насекомым успешно справляться с защитными метаболитами растений, изучается и упоминается, как правило, монооксигеназная система. Однако как следует из наших результатов, у сибирского шелкопряда в ряде случаев, по-видимому, активное участие в метаболизме ксенобиотиков принимают гидролитические ферменты.
Терпены хвойных пород и продукты их ферментативной трансформации являются биологически активными веществами. Так, 1,8-цинеол обладает бактерицидным действием, подавляет прорастание семян и рост однолетних растений; бизаболол обладает противомикробным действием; окисленные производные пимарового ряда проявляют антибактериальное действие, ингибируют рост семян, оказывают фунгицидное действие. Попадая в почву, эти соединения могут влиять как на общее видовое разнообразие почвенных организмов, так и на численность отдельных видов, меняя структуру доминирования. Однако конкретный характер биологической активности терпенов по отношению к различным компонентам таежного биоценоза неизвестен и требует специального изучения.
Zoocenosis — 2003
Біорізноманіття та роль зооценозу в природних і антропогенних екосистемах: Матеріали ІІ Міжнародної наукової конференції. – Дніпропетровськ: ДНУ, 2003. – C. 97-99.