Genetic diversity and infective properties of microsporidia from lepidopteran insects

Abstract

Микроспоридии — это одноклеточные внутриклеточные паразиты животных, интенсивное изучение которых началось сравнительно недавно (около 150 лет назад). Они паразитируют в клетках почти всех типах многоклеточных животных, включая протистов, но наибольшее разнообразие наблюдается в членистоногих. В России изучение микроспоридий, как паразитов насекомых, началось ещё в 50-х годах прошлого века. Особое внимание уделяли энтомопатогенам, выделенным из вредителей сельскохозяйственных культур и лесных пород деревьев, таким как капустная белянка и совка, картофельная совка, непарный шелкопряд, златогузка и т.д. Большинство опубликованных работ того времени касалось только морфологии и патогенных свойств микроспоридий, которые до сих пор хранятся в коллекции ВИЗР. Изучение их с использованием современных методов молекулярно-биологического анализа необходимо для углубления знаний, полученных ранее. Кроме того, в современных работах, наоборот, редко встречаются данные об инфекционных свойствах энтомопатогенов в связи с трудоёмкостью их оценки на других видах хозяев. Поэтому для изучения возможности использования микроспоридий в борьбе против вредных чешуекрылых необходим комплексный подход. Данная работа посвящена изучению разнообразия энтомопатогенов, выделенных из представителей отряда Lepidoptera, и их способности заражать другие виды чешуекрылых-фитофагов, а также перепончатокрылых энтомофагов. Из 64 проб из коллекции ВИЗР было получено 26 целевых сиквенсов из представителей семейств Pieridae и Noctuidae, а также сборной группы листогрызущих дендрофагов, анализ которых впервые позволил установить их филогенетическое положение. Также были проведены новые сборы этих видов чешуекрылых насекомых, в ходе которых были обнаружены ещё 7 изолятов микроспоридий. Некоторые последовательности были идентичны ранее описанным видам (Nosema polyvora, Vairimorpha (Nosema) mesnili), а один изолят показал родство с микроспоридией рода Mockfordia из сеноедов. Большинство изолятов микроспоридий чешуекрылых принадлежат к трём родам – Nosema, Vairimorpha и Endoreticulatus. Были поставлены опыты по искусственному скармливанию четырёх близкородственных видов микроспоридий рода Nosema в лабораторных условиях по отношению к разным видам чешуекрылых из различных семейств. Для каждого энтомопатогена обнаружены новые восприимчивые виды, также установлены оптимальные дозировки спор для их размножения в модельных хозяевах. Кроме того, для N. bombycis установлена способность инфицировать не только неспецифического чешуекрылого хозяина (Pieris brassicae), но и паразитоида в нём (Cotesia glomerata), снижая выживаемость и инфицируя репродуктивную систему последнего.

Microsporidia are unicellular intracellular parasites of animals, intensive study of which began relatively recently (about 150 years ago). They parasitize representatives of almost all phyla of metazoans, as well as protists, but the greatest diversity is observed in arthropods. In Russia, the study of microsporidia as parasites of insects began as early as in the 1950-ies. Particular attention was paid to entomopathogens isolated from agricultural and forest pests, such as cabbage white and cabbage moth, potato armyworm, gypsy moth, brown-tail moth, etc. The majority of the published works of that time concerned only the morphology and pathogenic properties of microsporidia, which are still kept in the Microsporidia collection at the All-Russian Institute of Plant Protection. Application of modern methods of molecular biological analysis to these samples is necessary to deepen the knowledge gained earlier. In addition, in modern works, on the contrary, data on the infectious properties of entomopathogens are rarely examined due to the laboriousness of their assessment against a series of different host species. Therefore, to investigate the microsporidia as microbial control agents against harmful Lepidoptera, an integrated approach is needed. This work is devoted to the study of the diversity of entomopathogens isolated from representatives of the order of Lepidoptera and their ability to infect other species of phytophagous lepidopterans, as well as hymenopteran parasitoids. Out of 64 samples from the Microsporidia collection, 26 SSU rRNA sequences were obtained from representatives of the families of Pieridae and Noctuidae, as well as a combined group of dendrophylic phyllophagous species. This analysis made it possible to establish their phylogenetic position for the first time. New samplings of lepidopteran insects were also carried out, and another seven microsporidia isolates were found. Some sequences were identical to the previously described species (Nosema polyvora, Vairimorpha (Nosema) mesnili), and one isolate showed a relatedness to the microsporidium of the genus of Mockfordia from the bark lice. Most Lepidoptera microsporidia isolates belong to three genera: Nosema, Vairimorpha, and Endoreticulatus. Experiments were performed using artificial feeding of spores of four closely related species of microsporidia of the genus of Nosema to different species of Lepidoptera from different families under laboratory conditions. For each entomopathogen, new susceptible host species were found, and optimal dosages of spores for their reproduction in the model hosts were also determined. In addition, it was found that N. bombycis is able to infect not only the nonspecific lepidopteran host (Pieris brassicae) but also its parasitoid (Cotesia glomerata), reducing survival and infecting the reproductive system of the latter.