Дієтичний механізм, що лежить в основі витрат, пов’язаних із стійкістю до Bacillus thuringiensis у Росії

Афілійований відділ біологічних наук, Університет Саймона Фрейзера, Бернабі, Британська Колумбія, Канада

Цифри

Анотація

Цитування: Shikano I, Cory JS (2014) Дієтичний механізм, що визначає витрати, пов’язані із стійкістю до Bacillus thuringiensis у капустяному пелюшці, Trichoplusia ni. PLoS ONE 9 (8): e105864. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105864

Редактор: Гай Смагге, Університет Гента, Бельгія

Отримано: 11 грудня 2013 р .; Прийнято: 28 липня 2014 р .; Опубліковано: 29 серпня 2014 року

Фінансування: Фінансову підтримку надав грант Канади з природничих та технічних досліджень Канади (NSERC) Discovery Grant компанії J.S.C. а також докторську стипендію NSERC Alexander Graham Bell Canada, стипендію вищого навчального закладу Тихого століття від уряду БК та цільову спеціальну стипендію вступника аспірантури від SFU для I.S. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Багаторазове використання хімічних інсектицидів, а також декількох мікробних інсектицидів призвело до розвитку стійкості у численних видів комах [1] - [5]. Однак мутації, що надають резистентність, часто знижують придатність за відсутності інсектициду [6] - [10]. Отже, на розвиток та стабільність стійкості до мікробних та хімічних інсектицидів, як вважають, сильно впливають витрати на придатність [11], .

Бактерія, що продукує токсин, Bacillus thuringiensis (Bt), є найбільш успішним у комерційному відношенні мікробним інсектицидом, і рослини, генетично модифіковані для експресії токсинів Bt, були посаджені на 66 мільйонах гектарів у всьому світі [13]. Повторний вплив Bt чинив сильний селекційний тиск на цільових травоїдних тварин, що призводило до деяких випадків еволюції стійкості [3], [5], [14]. Стійкість у більшості видів швидко зменшується за відсутності впливу Bt, що передбачає компроміс, при якому алелі стійкості до Bt підвищують придатність у присутності Bt, але спричиняють витрати на придатність при його відсутності [15]. Фітнес-витрати, пов’язані з стійкістю до Bt-спреїв або Bt-токсинів, були знайдені у представників одного сімейства кишкових (Chrysomelidae [16]) та двокрилих (Culicidae [17]) та чотирьох сімейств Lepidoptera (Noctuidae [18], [19], Plutellidae [20], [21], Pyralidae [22] та Gelechiidae [23]).

Витрати на фітнес, пов’язані з стійкістю до Bt, сильно піддаються впливу екологічних змін, таких як рослини, якими живляться комахи [21], [33] - [38], і збільшуються захисними фітохімікатами, які знижують продуктивність годування за рахунок прямого токсичного впливу або зниження наявність поживних речовин [15]. У нашому Bt-резистентному штамі T. ni ступінь пов'язаних із стійкістю витрат на придатність (менша вага лялечки та повільніший темп розвитку) зростала із зменшенням придатності рослин-господарів [33], [39]. Ми припустили, що ці витрати можуть бути спричинені порушенням здатності перетворювати поживні речовини у ріст тіла. Нещодавно ми також показали, що стійкий до Bt штам вибирає більш високе відношення білка до вуглеводів, ніж сприйнятливий штам, коли їм дозволяється складати власний білок з вуглеводною дієтою [40]. Вживання більшої кількості білка може свідчити про компенсаційне годування для подолання порушеного перетворення введеного в організм азоту або підвищені потреби в білках для підтримки підвищеної імунної відповіді [41], [42].

Матеріали і методи

Вивчення тварин

Bt-стійкі колонії T. ni підтримували при 25 ° C та 16∶8 (L∶D) фотоперіоду на стандартній дієті на основі зародків пшениці, починаючи з його оригінальної колекції з комерційної теплиці томатів у Британській Колумбії, Канада, у 2001 році (позначений T2c у [19]). Стійкість до Bt підтримувалась під впливом личинок 40 KIU мл -1 дієтичного Bt subsp. kurstaki (DiPel 2x DF, Valent Biosciences, Libertyville, IL, USA) для кожного покоління. Колонія, сприйнятлива до Bt, походить від лінії, стійкої до Bt, але вирощувалася без впливу Btk [19]. Приблизно 200 молі спарювались у кожному поколінні, щоб мінімізувати інбридинг. Зворотне схрещування між стійкою та сприйнятливою колоніями проводили для гомогенізації їх генетичного фону, а потім повторно відбирали за допомогою Bt, так що основною генетичною різницею між двома колоніями, ймовірно, була стійкість до Bt [49]. Для цілей цього дослідження ми використовували личинки з Bt-сприйнятливої лінії (Bt-S) та личинки з Bt-стійкої лінії, які не були відібрані з Bt для одного покоління (Bt-RU) до експериментів для зменшення трансгенераційні ефекти від відбору Bt [33].

Штучні дієти

Експеримент з годуванням

Вміст ліпідів та азоту лялечок вимірювали, щоб визначити різницю у вживанні поживних речовин, пов’язану з резистентністю до Bt. Для вимірювання вмісту ліпідів у лялечках висушені лялечки екстрагували ліпідами у трьох змінах хлороформу кожні 24 години, потім повторно сушили та повторно зважували. Тільки підгрупи безліпідних лялечок аналізували на вміст азоту через логістичні обмеження. Випадково відібрану підбірку з десяти безліпідних сухих лялечок від кожної дієтичної обробки на колонію розмелювали індивідуально протягом 10 секунд в однорідний порошок за допомогою Mini-BeadBeater (BioSpec Products, Бартлсвілль, Оклахома, США). Приблизно 2 мг порошкоподібної проби кожної лялечки зважували з точністю до 0,001 мг і завантажували в елементний аналізатор (Vario Micro Cube CHNS Analyzer, Elementar Americas Inc.). Вміст азоту в кожній пробі, визначений аналізатором елементів, використовували для зворотного розрахунку та оцінки вмісту азоту в кожній лялечці.

Експеримент Bt-challenge

Свіжолинених личинок четвертої інстанції годували однією з п’яти дієтичних процедур індивідуально в клітинах 48-лункових пластин для культури тканин до линьки до п’ятої інстанції. Свіжолиняні п’яті інсерти переносили в окремі клітини 12-лункових пластин для культури тканин, що містять колонійну дієту, оброблену однією з п’яти концентрацій Bt (DiPel) (0, 0,25, 0,5, 1, 2, 4 KIU мл -1 дієта для Bt- S; 0, 10, 20, 40, 80, 160 КІУ мл -1 дієта для Bt-RU). Личинки отримували Bt на колоній, щоб вирівняти вплив Bt між дієтичними процедурами. У кожній колонії було 48 личинок на концентрацію Bt на дієту для лікування. Смертність личинок реєстрували через три дні на дієті, обробленій Bt.

Статистичний аналіз

Результати

Продуктивність

Особи Bt-RU мали значно нижчу масу ляльок, ніж комахи Bt-S; однак, це змінювалося з коефіцієнтом дієтичного P∶C, при цьому на лінію Bt-RU менше впливав коефіцієнт поживних речовин (рис. 1А; таблиця 1). Лялечки Bt-S важили більше ніж Bt-RU на трьох найбільш збалансованих дієтичних співвідношеннях P∶C, але маса лялечок Bt-S зменшилася на двох дієтах з крайнім співвідношенням P∶C, що призвело до подібних мас для обох ліній. Відносний темп зростання (RGR) Bt-S також був значно швидшим, ніж Bt-RU, але це також змінювалося в залежності від дієти і досягало значення лише на збалансованому харчуванні (30p∶30c) (Рисунок 1B; Таблиця 1). Щодо Bt-RU, RGR був значно нижчим на дієті, що найбільш багата вуглеводами, порівняно з іншими дієтами. Щодо Bt-S, RGR був значно нижчим на обох екстремальних дієтах, порівняно з трьома найбільш збалансованими дієтами. Для двох штамів T. ni потрібен один і той же час, щоб досягти стадії лялечки (рис. 1С; таблиця 1), і час до окукливания затримувався лише на найбагатшій вуглеводами дієті для обох штамів.