2012-1.1-12-000-1001-033 ФЦП "Кадры" Новый подход к согласованному биологическому контролю амброзии полыннолистной и колорадского жука: полевые исследования, математическое моделирование и практические рекомендации.

Научный руководитель
Матишов Геннадий Григорьевич

Проект ФЦП "Кадры" «Новый подход к согласованному биологическому контролю амброзии полыннолистной и колорадского жука: полевые исследования, математическое моделирование и практические рекомендации» (шифр: 2012-1.1-12-000-1001-033)

Проект ФЦП "Кадры"

«Новый подход к согласованному биологическому контролю амброзии полыннолистной и колорадского жука: полевые исследования, математическое моделирование и практические рекомендации»

(шифр: 2012-1.1-12-000-1001-033)

О проекте:

Содержание проекта:

  • Цель проекта
  • Задачи проекта
  • Методы контроля вредителей
  • Опыт ЗИН АН СССР
  • Клоп периллюс
  • Первые результаты
  • Литература
  • Ссылки
  • Фонд

Новости

15 февраля 2013 г.

Федеральной службой по интеллектуальной собственности (Роспатент) выданы сертификаты о государственной регистрации двух программ для ЭВМ (авторы: д.ф.-м.н. Ю.В.Тютюнов, Л.И.Титова):

(1). Имитационная модель системы "растительный ресурс - конкурент - фитофаг" "Контроль амброзии " AC (Ambrosia Control) (№2013611508, 22 января 2013г.);

(2). Имитационная модель пространственно-распределённой трофической системы "Perillus (Perillus bioculatus)" (№2013611507, 22 января 2013г.).

<все новости и события>

Медиа: Фото / Видео / Пресса

О проекте

Амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisiifolia L.) и колорадский жук (Leptinotarsa decemlineata Say) – представители наиболее вредоносных видов американского происхождения в нашей стране. Их быстрое распространение по евразийскому континенту – типичные примеры начальной стадии успешной инвазии видов-вселенцев в новый для них биоценоз, в котором отсутствуют специфические враги, болезни и конкуренты.
 
Разработка биологических методов подавления сорной растительности и вредных насекомых имеет важное прикладное значение, поэтому в Южном научном центре РАН решению научных задач, связанных с данным направлением, уделяется значительное внимание (Матишов и др. 2011).
 
Для выполнения проекта на базе Научно-образовательного центра (НОЦ) ЮНЦ РАН "Экосистемные подходы к рациональному природопользованию в аридных зонах" сформирован творческий коллектив из специалистов ЮНЦ РАН,Института аридных зон (ИАЗ) ЮНЦ РАН , Зоологического института РАН, Всероссийского НИИ биологической защиты растений РАСХН, НИИ механики и прикладной математики им. Воровича И.И. Южного федерального университета, преподавателей, аспирантов и студентов базовых кафедр ЮФУ и филиала Кубанского госуниверситета в г. Славянск-на-Кубани.

 
Руководитель проекта – Академик РАН Г.Г.Матишов
Отв.исполнитель - гл.н.с., д.ф.-м.н. Ю.В.Тютюнов
 

Цель проекта:

Проведение полного цикла фундаментальных исследований по разработке биологических методов контроля амброзии полыннолистной и колорадского жука, включающего в себя:

  1. сбор, систематизацию и обработку данных полевых и лабораторных наблюдений;
  2. построение, анализ, компьютерную реализацию математических моделей системы «сорняк-фитофаг-энтомофаг» и их идентификацию с использованием собранных данных;
  3. тестирование теоретических гипотез о влиянии пространственных факторов интродукции агентов биологического контроля на генетическую структуру популяции и на эффективность решения прикладных задач подавления вредоносности иноземных видов;

Задачи проекта

Проект предусматривает комплексное решение как научных, так и образовательных задач, в том числе:

  • проведение полевых экспериментов по наблюдению за динамикой системы амброзия-фитофаг-энтомофаг;
  • построение, анализ и приложения математических моделей пространственно-распределенных трофических систем сорняк-фитофаг;
  • изучение условий формирования уединенной популяционной волны (УПВ) популяции полосатого амброзиевого листоеда;
  • отработка методики дистанционного наблюдения за распространением амброзии на основе анализа космических снимков;
  • изучение последствий распространения УПВ для генетики популяции листоеда и динамики трофической системы в целом;
  • изучение роли пространственного поведения, полёта амброзиевого листоеда;
  • оценка эффективности комбинации химических, механических и биологических методов контроля вредных вселенцев;
  • обоснование возможности ограничения химической обработки колорадского жука на картофеле при интродукции в систему клопа периллюса;
  • изучение возможности интродукции других видов-фитофагов амброзии;
  • разработка рекомендаций по восстановлению популяций листоеда для сокращения как плотности амброзии в фитоценозах Юга России, так и численности колорадского жука;
  • внедрение научных результатов в образовательный процесс, совершенствование учебных курсов, проведение студенческих практик, выполнение курсовых и дипломных работ по тематике исследований.

Основной образовательной задачей является формирование прогрессивной модели подготовки молодых исследователей в результате тесного взаимодействия базовых кафедр Южного федерального университета, Ставянского-на-Кубани филиала Кубанского государственного университета, научных подразделений Института аридных зон Южного научного центра РАН и Всероссийского НИИ биологической защиты растений PACXН, путем вовлечения в научные исследования студентов 3-5 курсов и аспирантов с последующим трудоустройством в ЮНЦ РАН и подведомственные институты наиболее талантливых молодых ученых.

Методы контроля вредителей

Выделяют четыре основные стратегии контроля полыннолистной амброзии (Табл. 1). Механическое подавление, прополка, является наиболее эффективным, но и весьма трудоёмким методом. Поэтому на больших полях использование химических методов борьбы оказывается более предпочтительным, несмотря на то, что применение гербицидов является чрезвычайно затратным и экологически вредным, а санитарное законодательство запрещает применение химических методов в населённых пунктах.

Табл. 1. Эффективность альтернативных стратегий подавления амброзии в естественных и искусственных экосистемах.

Тип экосистемы Биоконтроль Замещение Гербициды Прополка
Сельхоз поля √ √ √
Обочины дорог √ √
Заброшенные земли √
Естественные ландшафты √ √ √
Урбанизированные территории √ √ √

Перспективными, эффективными и безопасными методами борьбы с амброзией являются биологические средства подавления роста и распространения данного сорняка (Harris, Piper 1970; Ковалёв 1971; Ковалёв, Белокобыльский 1989;Картамышев и др. 2006).

Проведенные полевые эксперименты на полях Азовского района Ростовской области  в 2005–2007 гг. (Матишов и др. 2011) свидетельствуют о потенциальной эффективности стратегии замещения – превентивного высевания горчицы сарептской (Brassica juncta (L.) Czern.) с последующей культивацией поля. Установлено, что включение в севооборот конкурента амброзии – горчицы сарептской при оптимальной норме высева 6 кг/га позволяет не только подавить развитие амброзии полыннолистной, снизив практически на порядок сырую биомассу сорняка, но и значительно повысить продуктивность озимой пшеницы, поскольку масса заделанных в почву растений является хорошим зелёным удобрением.

Наряду с высеванием растений-конкурентов, в качестве эффективного средства подавления очагов амброзий многими авторами рассматривается классический биологический контроль – интродукция в заражённые экосистемы естественных врагов амброзии (Harris, Piper 1970; Ковалёв 1971; Ковалёв, Белокобыльский 1989).

Опыт ЗИН АН СССР

Большой интерес вызывает возможность саморегулирования системы с видом-фитофагом, способным к полной акклиматизации. В развитии этого направления бесценен опыт многолетней Комплексной экспедиции ЗИН АН СССР, которая работала с конца 70-х годов практически до распада СССР (Ковалёв, Белокобыльский 1989). К выполнению экспериментальных работ настоящего проекта привлечены специалисты ЗИН РАН, которым принадлежит приоритет в организации исследований по отбору и интродукции иноземных фитофагов и фитопатогенов. Ведущим научным сотрудником ЗИН РАН доктором биологических наук О.В.Ковалёвым  (1971,1989) собраны сведения по биологии 527 видов насекомых и клещей из 69 семейств и 9 отрядов, обитающих на видах подтрибы амброзиевых в Северной Америке, включая узких олигофагов: амброзиевых пестрокрылок, амброзиевых листоедов, амброзиевую совку, галлиц и слоников. В частности, мероприятия по акклиматизации полосатого амброзиевого листоеда Zygogramma suturalis (Fabricius) проводились на территории 16 областей бывшего СССР от Украины до Дальнего Востока, при этом наиболее интенсивные работы ЗИН РАН по интродукции амброзиевого листоеда осуществлялись на Юге России (Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край и др.).

Автор идеи биометода борьбы с амброзией в.н.с. ЗИН РАН, д.б.н.О.В. Ковалёв <kovalev@OK11495.spb.edu>Работы ЗИН РАН по интродукции полосатого амброзиевого листоеда были весьма результативны. Жук успешно адаптировался и широко расселился, успешно уничтожая заросли амброзии в агроценозах (Ковалёв, Белокобыльский 1989; Ковалёв, Вечернин 1986, 1989). При исследовании расселения листоеда в очагах амброзии и в посевах сельскохозяйственных культур в Ставропольском крае был обнаружен неизвестный ранее феномен – формирование уединённых популяционных волн (УПВ) насекомых, движущихся без изменения формы с постоянной скоростью (Ковалёв, Вечернин 1986,1989; Kovalev 2004). Для УПВ листоеда характерна необычная концентрация насекомых в узкой полосе – до 5000 особей на кв. м. При этом скорость движения фронта волны достигала 3 м/сутки (Ковалёв, Вечернин 1989).  Фронт волны достигал 1,5 км длины, и на одном поле, например, эспарцета (80 га) концентрировалось порядка 10 миллионов жуков. При перемещении по засорённому амброзией полю в тылу волны остаётся пространство полностью уничтоженной амброзии. Также отмечалось резкое снижение количества семян в почве. Анализ засорённости поверхностного слоя почвы на картофельном поле в с. Пелагиада показал (Ковалёв 1989), что запас семян амброзии сократился с 24000 на кв.м. в 1980 г. до 35 на кв.м. в 1985 г. УПВ фитофага было предложено рассматривать в качестве важного фактора эффективности биометода подавления сорняка (Ковалёв, Вечернин 1989). Заметим, что на своей родине в Северной Америке полосатый амброзиевый листоед не образует плотных агрегаций (Ковалёв 1989).

Полосатый амброзиевый листоед Zygogramma suturalis F.

К сожалению, после распада Советского Союза масштабные комплексные исследования ЗИН РАН, связанные с интродукцией амброзиевого полосатого листоеда, амброзиевой совки, а также других видов из отобранного комплекса фитофагов и патогенов амброзии, были свёрнуты. Эпизодические наблюдения за расселением зигограммы не могли заменить активных мероприятий по формированию новых популяционных волн фитофага в целях подавление очагов амброзии. Сегодня, по прошествии сорока лет, несмотря на широкое распространение амброзиевого листоеда в Евразии, средняя плотность его популяции не превышает 2-3 жука на кв.м., хотя наблюдаются и нерегулярные локальные скопления большого количества жуков.

Фильм "Биологическая борьба с амброзией" (с) ЛГУ, 1987г., снятый по сценарию в.н.с. ЗИН РАН, д.б.н. О.В. Ковалёва

Клоп периллюс

До последнего времени, а именно до обнаружения специалистами ВНИИБЗР РАСХН вспышки хищного клопа периллюса (Perillus bioculatus F.) на Северном Кавказе (Исмаилов, Агасьева 2010; Есипенко 2012), непротиворечивого объяснения феномена снижения плотности листоеда дано не было. Неожиданное обнаружение в мае 2008 г. большого количества периллюса, активно питающегося яйцами, личинками и имаго амброзиевого листоеда (Исмаилов, Агасьева 2010), позволяет нам предположить, что причиной снижения численности зигограммы является классическая перестройка трофической цепи, вызванная закреплением в ней хищника верхнего уровня. А именно, в результате внедрения периллюса в систему «амброзия – фитофаг», образовалась трофическая цепь «амброзия – фитофаг – энтомофаг», в которой, в полном соответствии с теорией трофического каскада (Arditi, Ginzburg 2012), произошло снижение плотности фитофага (листоеда) и повышение биомассы амброзии. Мы полагаем, что акклиматизация клопа периллюса в России стала результатом более ранней интродукции и акклиматизации специфического фитофага амброзии – амброзиевого листоеда Zygogramma suturalis F. (Ковалёв, Белокобыльский 1989), но постепенное нарастание численности популяции периллюса оставалось незамеченным в течение продолжительного периода времени.

Клоп периллюс считается едва ли не единственным перспективным агентом биоконтроля колорадского жука в Европе и его акклиматизация имеет существенное значение для производителей овощей (Суитмен 1964; Исмаилов, Агасьева 2010). В 1960-70 годы работы по интродукции периллюса из Северной Америки проводились в 10 странах Европы, в частности в ряде бывших республик СССР, в том числе и на юге России (Суитмен 1964), но, как показывает анализ современных литературных данных, в течение многих лет его интродукция ни в одной из европейских стран не была успешной, несмотря на многолетние и интенсивные попытки акклиматизации. Лишь недавно появились сообщения об обнаружении клопа летом 2003 г. на европейской территории Турции (Kivan 2004; Rabitsch 2008, 2010), а также в 2012 г. в Болгарии (Simov et al. 2012). Кроме того, в работе (Rabitsch 2008) упоминаются неопубликованные сведения о находке периллюса в Греции. Во всех случаях обнаруженные энтомофаги питались на колорадском жуке, но об успехе интродукции говорится с большой осторожностью, поскольку речь идёт лишь о небольших количествах. При этом, авторы не могут определить источники инвазии, связывая её либо с предшествующими попытками интродукции P. bioculatus на Балканах и недавними относительно мягкими зимами (Simov et al. 2012), либо с непреднамеренным завозом клопов из Америки авиацией НАТО (Kivan 2004).

Остаётся лишь сожалеть, что гораздо более впечатляющий результат интродукции этого полезного энтомофага на Северном Кавказе (Исмаилов, Агасьева 2010; Есипенко 2012) пока неизвестен западным специалистам и не упоминается в их работах.

Клоп периллюс, поедающий колорадского жука

Трудности акклиматизации P. bioculatus в Европе связаны с тем, что появление колорадского жука на картофеле существенно запаздывает для появляющихся весной самок периллюса (Исмаилов, Агасьева 2010). Но именно в этот период выходят из почвы жуки амброзиевого листоеда, которые относятся к ближайшему для Leptinotarsa родуZygogramma – фитофага широко распространившейся на юге Европы амброзии полыннолистной. Позднее рацион периллюса пополняется гусеницами амброзиевой совки – ещё одного привычного для него североамериканского вида (Исмаилов, Агасьева 2010; Есипенко 2012). То, что в России клоп периллюс пока обнаружен лишь в достаточно узкой полосе на Северном Кавказе, по-видимому, объясняется тем, что его выживание и закрепление здесь связано с высокой плотностью листоеда в УПВ в 1980-е годы (Ковалёв, Вечернин, 1986; Kovalev, 2004).

Клоп периллюс, питающийся полосатым амброзиевым листоедом (Адыгея)

Таким образом, несмотря на то, что работы ЗИН РАН по интродукции зигограммы были прекращены более двадцати лет назад, имеются все основания говорить об их успешности – в том числе – в долгосрочной перспективе: именно акклиматизация и расселение этого вида сделала возможной последующую за ними интродукцию клопа периллюса – чрезвычайно важного для борьбы с колорадским жуком энтомофага.

Следует отметить, что в истории биометода никогда ещё не рассматривались подходы совместного использования агентов биоконтроля для амброзии и колорадского жука. Подобная возможность представилась лишь сегодня, поскольку после акклиматизации зигограммы, впервые в мировой практике произошли акклиматизация и нарастание численности важнейшего хищника колорадского жука – клопа периллюса на Северном Кавказе (Исмаилов, Агасьева 2010).

В свою очередь, акклиматизация периллюса, имеющего существенное экономическое значение для овощеводства, обуславливает актуальность восстановления и поддержания численности полосатого амброзиевого листоеда. Фактически речь идёт о отработке методик следующего этапа борьбы с вредными американскими вселенцами в новых, изменившихся за 20 лет, прошедших после прохождения УПВ листоеда, условиях агроценозов Северного Кавказа. Уникальность нынешней ситуации на юге России во многом определяется формированием филогенетического комплекса американских видов, включающего амброзию и три вида насекомых (листоеда, амброзиевую совку тарахидию и клопа периллюса), дополняемого колорадским жуком, питающимся на американских паслёнах.

Первые результаты

Особенностью выполняемого проекта, обеспечивающей достижимость заявленного результата, является синтез эксперимента (природного моделирования) и теории (математического моделирования).

Полевые исследования начались с проведения экспедиционных работ по сбору жуков амброзиевого листоеда, оценке степени заражённости полей амброзией и её семенами, подготовке и заселению инсектария для зимовки жуков.

Оборудование инсектария на научно экспедиционной базе ЮНЦ РАН "Кагальник"

На этом этапе важно получить объективные и достоверные показатели долгосрочной эффективности мероприятий по акклиматизации зигограммы, которые проводились сотрудниками многолетней Комплексной экспедиции ЗИН АН СССР с конца 70-х годов практически до распада Советского Союза. Одновременно, на Кубани краснодарскими участниками проекта из ВНИИБЗР и СГПИ ведутся работы по изучению биометодов борьбы с колорадским жуком, являющимся родственником амброзиевого листоеда.

Данные экспедиционных, полевых и лабораторных наблюдений сформируют информационную базу для решения теоретических задач. Для этих целей нами создаётся комплекс математических моделей пространственно-временной динамики изучаемых агро-экосистем. При построении моделей используются ранее апробированные методики описания активных направленных перемещений потребителей (Тютюнов и др. 2001, 2002, 2009, 2010; Tyutyunov et al. 2007) и моделирования эволюции генетической структуры пространственно-распределённой популяции (Тютюнов и др. 2007;Tyutyunov et al. 2008).

Полученные с помощью математических и природных моделей результаты исследований будут обобщены и проинтерпретированы для характеристики динамических свойств крупномасштабных управляемых агроценозов.

Zygogramma suturalis F.

Литература:

Есипенко Л.П. Сопряжённая инвазия амброзиевого полосатого листоеда Zygogramma suturalis F. (Coleoptera, Chrysomelidae) и хищного клопа Perillus bioculatus F. (Heteroptera, Pentatomidae) на юге России // XIV съезд Русского энтомологического общества. Россия, Санкт Петербург, 27 августа – 1 сентября 2012 г. Материалы съезда. – Санкт-Петербург: ЗИН РАН. – 2012. – с. 145.

Исмаилов В.Я., Агасьева И.С. Хищный клоп Perillus bioculatus Fabr. Новый взгляд на возможности акклиматизации и перспективы использования // Защита и карантин растений. – 2010. – N2. – С. 30-31.

Картамышев В.Г., Ильина Л.П., Бокий Г.В. Видовой состав сорных растений в агрофитоценозах Ростовской области // Земледелие. – 2006. – N 3. – С. 36-37.

Ковалёв О.В. Фитофаги амброзий (Ambrosia L.) в Северной Америке и их использование в биологической борьбе с этими сорняками в СССР // Зоологический журнал. – 1971. – Т. 50, вып. 2. – С. 199-209.

Ковалёв О.В. Расселение адвентивных растений трибы амброзиевых в Евразии и разработка биологической борьбы с сорняками рода Ambrosia I. (Ambrosieae, Asteraceae) // Теоретические основы биологической борьбы с амброзией / Под ред. О.В.Ковалёва, С.А.Белокобылького. – Труды ЗИН АН СССР. – 1989. – Т. 189, Л.: Наука. – С. 7-23.

Ковалёв О.В., Белокобыльский С.А. (ред.) Теоретические основы биологической борьбы с амброзией // Труды ЗИН АН СССР. – 1989. – Т. 189, Л.: Наука. – 235 с.

Ковалёв О.В., Вечернин В.В. Описание нового волнового процесса в популяциях на примере интродукции и расселения амброзиевого листоеда Zygogramma suturalis F. (Coleoptera, Chrysomelidae) // Энтомологическое обозрение. – 1986. – Т. 65. –N 1. – С. 21-38.

Ковалёв О.В., Вечернин В.В. Обнаружение и описание явления образования уединенной популяционной волны интродуцированных насекомых // Теоретические основы биологической борьбы с амброзией / Под ред. О.В.Ковалёва, С.А.Белокобылького. – Труды ЗИН АН СССР. – 1989. – Т. 189, Л.: Наука. – С. 105-120.

Матишов Г.Г., Есипенко Л.П., Ильина Л.П., Агасьева И.С. Биологические способы борьбы с амброзией в антропогенных фитоценозах Юга России. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН. – 2011. – 144 с.

Суитмен Х. Биологический метод борьбы с вредными насекомыми и сорными растениями. (перевод с англ.). – М.: Колос. – 1964. – 575 с.

Тютюнов Ю.В., Жадановская E.A., Ардити Р., Медвинский A.Б. Пространственная модель развития устойчивости насекомых-вредителей к трансгенной инсектицидной сельскохозяйственной культуре на примере кукурузного стеблевого мотылька // Биофизика. – 2007. – Т. 52. – Выпуск 1. – С. 95-113.

Тютюнов Ю.В., Загребнева А.Д., Сурков Ф.А., Азовский А.И. Микромасштабная пятнистость распределения веслоногих рачков как результат трофически-обусловленных миграций // Биофизика. - 2009. – Т. 54. N 3. – С. 508-514.

Тютюнов Ю.В., Загребнева А.Д., Сурков Ф.А., Азовский А.И.Моделирование потока популяционной плотности организмов с периодическими миграциями // Океанология. - 2010. – Т. 50. – N 1. – С. 1-10.

Тютюнов Ю.В., Сапухина Н.Ю., Моргулис А.Б., Говорухин В.Н. Математическая модель активных миграций как стратегии питания в трофических сообществах // Журн. общ. биологии. - 2001. - Т. 62. - N3. - С. 253-262.

Тютюнов Ю.В., Сапухина Н.Ю., Сенина И.Н., Ардити Р. Явная модель поискового поведения хищника // Журн. общ. биологии. - 2002. - Т. 63. – N2. - С. 137-148.

Arditi, R., Ginzburg, L.R. How Species Interact. Altering the Standard View on Trophic Ecology. Oxford: Oxford University Press. – 2012. – 192 p.

Harris, P., Piper, G.L. Common ragweed (Ambrosia spp.: Cornpositae): Its North American insects and possibilities for its biological control // Commonwealth Institute Biological Control Technical Bulletin. – 1970. – Vol. 13. – P. 117-140.

Kivan, M. Some observations on Perillus bioculatus (F.) (Heteroptera: Pentatomidae) a new record for the entomofauna of Turkey // Turkish Journal of Entomology. – 2004. – Vol. 28 – N 2. – P. 95–98.

Kovalev, O.V. The solitary population wave, a physical phenomenon accompanying the introduction of a chrysomelid // In: New Developments in the Biology of Chrysomelidae. (Ed. by P. Jolivet et al.) SPB Academic Publishing bv, The Hague, The Netherlands, 2004. – P. 591-601.

Rabitsch, W. Alien true bugs of Europe (Insecta: Hemiptera: Heteroptera) // Zootaxa. – 2008. – Vol. 1827. – P. 1-44.

Rabitsch, W. True bugs (Hemiptera, Heteroptera). Chapter 9.1 // In: Alien terrestrial arthropods of Europe / A. Roques, M. Kenis, D. Lees, C. Lopez-Vaamonde, W. Rabitsch, J.-Y. Rasplus, D. Roy (eds.). – BioRisk.– 2010. Vol. 4. – N 1, Sofia: Pensoft Publishers. – P. 407-433.

Simov, N., Langourov, M., Grozeva, S., Gradinarov, D. New and interesting Records of Alien and native true bugs (Hemiptera: Heteroptera) from Bulgaria // Acta zoologica bulgarica. – 2012. – Vol. 64. – N3. – P. 241-252.

Tyutyunov, Yu., Titova, L., Arditi, R. A minimal model of pursuit-evasion in a predator-prey system // Mathematical Modelling of Natural Phenomena. – 2007. – Vol. 2. – N 4. – P. 122-134.

Tyutyunov, Yu., Zhadanovskaya, E., Bourguet, D., Arditi, R. Landscape refuges delay resistance of the European corn borer to Bt-maize: a demo-genetic dynamic model // Theoretical Population Biology. – 2008. – Vol. 74. – P. 138-146.