Исследование механизмов стресс-реакции насекомых

Алексеев А. А., Ушакова М.А.
*Раушенбах И.Ю., Грунтенко Н.Е., Ченцова Н.А., Адоньева Н.А., Карпова Е.К
* - Лаборатория генетики стресса ИЦиГ СО РАН



 
 

Актуальность исследования

Механизм нейрогормональной реакции (стресс-реакции), развивающейся в ответ на действие экстремальных факторов (неблагоприятных температур, влажности, плотности популяций, токсинов, в том числе антропогенного происхождения, важнейшими из которых являются инсектициды) на живые организмы является объектом пристального внимания биологов. Установлено, что эта реакция настолько комплексна, что вызывает радикальные изменения, как в гормональном статусе, так и в энергетическом метаболизме организма, и в то же время настолько универсальна, что некоторые ее звенья (например, биогенные амины) идентичны у насекомых и млекопитающих.

Было показано, в основном на Drosophila, что важнейшими гормонами стресс-реакции насекомых являются биогенные амины (дофамин, октопамин), ювенильный гормон и экдистероиды. Изменение их уровня при стрессе повышает энергетический метаболизм, обеспечивая адаптацию индивидуума, а также вызывает задержку в откладке яиц и/или развитии, что позволяет популяции "переждать" неблагоприятные условия среды, обеспечивая тем самым адаптацию на популяционном уровне. Изучение закономерностей взаимодействия этих гормонов (и его генетической компоненты) в контроле репродуктивной функции и жизнеспособности в неблагоприятных условиях безусловно актуально. Однако такого рода исследования требуют возможности экспериментального изменения уровня гормонов и проведения генетических экспериментов, что исключено для исследований на человеке и достаточно сложно для исследований на других видах млекопитающих с их длительными сроками развития. Высокая степень эволюционного консерватизма в структуре стресс-реакции и возможность получения больших выборок делают насекомых уникальной моделью для изучения данных проблем.

Несмотря на большое число работ по данной тематике, до сих пор остается неясным, как взаимодействуют эти гормоны в обеспечении адаптации индивидуума и популяции к неблагоприятным условиям.

Одним из направлений работ лаборатории дисперсных систем является развитие научных основ оптимальной аэрозольной технологии применения инсектицидов.

Все химические инсектициды обладают нейротоксическим действием. При этом сублетальные, не вызывающие гибели, дозы приводят к различным нарушениям гормонального баланса насекомых. Воздействию сублетальных доз при обработках инсектицидами подвергается большая часть популяций видов как насекомых-вредителей, против которых они применяются, так и полезных видов на огромных площадях. Эколого-физиологические последствия такого воздействия до сих пор остаются слабо изученными. В ряде работ показано, что инсектициды действуют на различные звенья стресс-реакции насекомых, однако эти работы немногочисленны. Прежде чем изучать влияние инсектицидов на уровне биоценоза, необходимо детальное исследование механизмов стресс-реакции насекомых.

Целью наших исследований было выяснить:

как взаимодействуют ювенильный гормон (ЮГ) и экдистерон (20-гидроксиэкдизон – 20Э) в неблагоприятных условиях и как влияет их баланс на репродуктивную функцию насекомых; какова роль биогенных аминов (дофамина и октопамина) в регуляции метаболизма ЮГ и 20Э; и как все эти взаимодействия обеспечивают приспособляемость насекомых к неблагоприятным условиям. В дальнейшем предполагается изучение действие инсектицидов как стресс-фактора на компоненты стресс-реакции насекомых.
 
 

Новизна используемого подхода

Интерес в научном мире к исследованию гормональных основ стресс-ответа насекомых растет с каждым годом, однако каждая группа исследователей (США, Канада, Англия, Япония, Югославия, Польша, Чехия) изучает реакцию на стрессор какого-то одного из стресс-связанных гормонов. Коллектив авторов внес существенный вклад в эту область знания, впервые описав механизм данной реакции в целом, использовав дрозофилу в качестве модельного объекта. Новым в нашем подходе является сочетание традиционных методов эксперимента, когда изучается действие конкретного фактора на физиологические показатели и параметры стресс-реакции, с экспериментальным “манипулированием” титрами гормонов (аппликация ювенильного гормона, введение в корм биогенных аминов и экдистероидов).

Полученные результаты и их значимость

Было установлено, что гормонами стресса у имаго обоих полов являются

биогенные амины (октопамин и дофамин) уровень которых резко возрастает при стрессе, обеспечивая повышение энергетического метаболизма;

гонадотропины – стероидные гормоны (экдизон (Э) и 20-гидроксиэкдизон (20Э)) и ювенильный гормон (ЮГ), титры которых при стрессе также возрастают, что способствует адаптации на популяционном уровне, поскольку повышение титра 20Э вызывает замедление вителлогенеза, а повышение титра ЮГ останавливает откладку яиц.

Значимость этих результатов в том, что они существенно уточняют механизм стресс-реакции насекомых. Более того, есть основания полагать, что они будут полезны и для интерпретации результатов, получаемых при выяснении аналогичных закономерностей у человека и других животных, поскольку феноменологически реакция на неблагоприятные условия, установленная нами у Drosophila близка к обнаруженной у млекопитающих.

Работы поддержаны грантами: РФФИ: 04-03-48168 (2003-2005), 04-04-48273 (2004-2006), 05-04-49131 (2005-2007), 06-04-48357 (2006-2008), междисциплинарным интеграционным проектом СО РАН №151 (2003-2005).
 
 

Список прилагаемых статей:

  • N.E. Gruntenko, E.K. Karpova, N.V. Adonyeva, N.A. Chentsova, N.V. Faddeeva, A.A. Alekseev and I.Yu. Rauschenbach. Juvenile hormone, 20-hydroxyecdysone and dopamine interaction in Drosophila virilis reproduction under normal and nutritional stress conditions // Journal of Insect Physiology, 2005, Vol. 51, Iss. 4, P. 417-425
  • N.E. Gruntenko, E.K. Karpova, A.A. Alekseev, N.A. Chentsova, Z.V. Saprykina, M. Bownes and I.Yu. Rauschenbach. Effects of dopamine on juvenile hormone metabolism and fitness in Drosophila virilis // Journal of Insect Physiology, 2005, Vol. 51, Iss. 9, P.959-968
  • Раушенбах И.Ю., Грунтенко Н.Е., Карпова Е.К., Адоньева Н.В., Алексеев А.А., Володин В.В. 20-гидроксиэкдизон взаимодействует с ювенильным гормоном и дофамином в контроле плодовитости Drosophila virilis // Доклады РАН, 2005, Т.400, №6, С.847-849
  • Грунтенко Н.Е., Карпова Е.К., Алексеев А.А., Фаддеева Н.В., Раушенбах И.Ю. Экспериментальное снижение уровня дофамина драматически снижает приспособленность Drosophila virilis // Доклады РАН, 2005, Т.401, №3, С.424-426
  • Грунтенко Н.Е., Карпова Е.К., Алексеев А.А., Н.А. Ченцова, Шумная Л.В., Ушакова М.А., Раушенбах И.Ю. Повышение уровня дофамина ускоряет половое созревание Drosophila melanogaster с дефицитом ювенильного гормона // Доклады РАН, 2006, Т.406, № 4, С.1-3.
  • Раушенбах И.Ю., Ченцова Н.А., Алексеев А.А., Грунтенко Н.Е., Карпова Е.К. Дофамин влияет на уровень 20-гидроксиэкдизона у самок Drosophila virilis // Доклады РАН. 2006 Т.407, №5, С 715-717
  • Раушенбах И.Ю., Н.Е. Грунтенко, Е..К. Карпова, Н.В. Адоньева, А.А. Алексеев, Н.А. Ченцова, Л.В. Шумная, Н.В. Фаддеева. Механизм влияния мутации apterous56f на репродуктивную функцию Drosophila melanogaster // Генетика, 2006. Т.42. №2 С.169-176
  • Раушенбах И.Ю., Грунтенко Н.Е., Карпова Е..К., Алексеев А.А., Ченцова Н.А. Влияние октопамина на репродуктивную функцию Drosophila melanogaster опосредуется гонадотропинами // Доклады РАН. 2006 Т.410, №5, С 1-3