Микроэволюция в системах «патоген–хозяин–симбионт–среда»
Изучаются коэволюционные взаимодействия насекомых и их патогенов под влиянием симбионтной микробиоты и окружающей среды. На модели «насекомые – энтомопатогенные грибы и бактерии» исследуется формирование резистентности у насекомых и эволюция вирулентности у патогенов. Фокус – на изменениях иммунитета, детоксикационных и антиоксидантных систем насекомых, а также молекулярно-генетической адаптации микроорганизмов. Цель – выявить ключевые механизмы динамики и стабильности систем. Подробно изучен микробиом колорадского жука на всех стадиях развития, факторы успешной зимовки, включая инфекционных агентов и ферменты окислительного стресса. С помощью биоинформатического анализа данных экспрессии генов определены ткани-мишени антимикробных пептидов у имаго.
Разработка подходов к преодолению резистентности насекомых
Направлено на повышение эффективности биопрепаратов на основе энтомопатогенов. Изучаются способы модуляции защитных систем вредителей (иммунитет, детоксикация) с использованием иммунодепрессантов – метаболитов грибов/бактерий, синтетических соединений, иммунного сайленсинга. Параллельно ведётся поиск и селекция высоковирулентных штаммов, адаптированных к климату целевых регионов. Результаты лягут в основу новых стратегий биологического контроля в сельском и лесном хозяйстве.
Экология паразитарных систем медицинского и ветеринарного значения
В сотрудничестве с профильными учреждениями исследуются природные очаги опасных инфекций. Анализируются экологические факторы, влияющие на устойчивость и динамику системы переноса вируса клещевого энцефалита в Западной Сибири, а также пути его циркуляции. Начаты работы по изучению адаптивного иммунитета у диких резервуарных хозяев вируса.
Проведено определение таких значимых для насекомых физиологических параметров как рН и концентрация кислорода в гемолимфе живых гусениц Galleria mellonella с помощью ЭПР-спектроскопии в L-диапазоне. В результате впервые было выявлено, что заражение личинок энтомопатогенным грибом Metarhizium robertsii приводит к снижению кислотности гемолимфы и зависит от способа заражения насекомых. Инъекция активаторов иммунитета (ЛПС и зимозана) не изменяет рН, но зимозан снижает концентрацию кислорода, что связано с началом меланизации в гемолимфе. Обнаружено, что в капсулах меланина может происходить истощение запасов кислорода, что является фактором разрушения инкапсулированного патогена.
Таким образом, демонстрируются возможности ЭПР-спектроскопии для неинвазивного мониторинга рН и содержания кислорода in vivo с высокой точностью при исследованиях насекомых. Полученные результаты могут быть использованы для оценки иммунных параметров при разработке контроля численности насекомых-вредителей.
Рисунок — Влияние гриба Metarhizium robertsii (штамм Р-72) на рН гемолимфы Galleria mellonella. * - достоверное отличие от контроля, р≤0.05 (n =10)
Glazachev Y.I., Vorontsova Y.L., Kryukov V.Yu., Slepneva I.A. 2025. Non‑invasive monitoring of insect hemolymph pH and oxygenation by L‑band EPR spectroscopy // Applied Magnetic Resonance. DOI: 10.1007/s00723-025-01766-z.
В настоящей работе было изучено влияние яда эктопаразитической осы Habrobracon hebetor на метаболизм хозяина (Galleria mellonella). С помощью ЯМР-спектроскопии (спектроскопия ядерного магнитного резонанса) и жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией идентифицировали и количественно определили 45 метаболитов в гемолимфе личинок восковой моли на второй день после введения яда H. hebetor. Анализ метаболома личинок показал, что яд вызывает 1) подавление цикла трикарбоновых кислот, 2) увеличение количества свободных аминокислот в лимфе, 3) повышение концентрации трегалозы (основного сахара) в лимфе одновременно с уменьшением количества глюкозы и 4) деструктивные процессы в жировой ткани тела. Таким образом, яд этого паразитоида не только обездвиживает жертву, но и модулирует ее метаболизм, создавая оптимальные условия для развития личинок. Данное исследование носит фундаментальный характер и позволяет продвинуться в понимании процессов взаимодействия паразитов с хозяевами.
Kryukova, N. A., Yanshole, L. V., Zelentsova, E. A., Tsentalovich, Y. P., Chertkova, E. A., Alekseev, A. A., & Glupov, V. V. (2024). The venom of Habrobracon hebetor induces alterations in host metabolism. The Journal of experimental biology, 227(17), jeb247694. https://doi.org/10.1242/jeb.247694
У эктопаразитоида Habrobracon hebetor было обнаружено инфицирование кишечной ткани эндосимбионтной бактерией Wolbachia. Исследований, посвященных взаимосвязи между Habrobracon и Wolbachia, немного, и они в основном сосредоточены на половом индексе инфицированного паразитоида, его фертильности и поведении. Нами был разработан метод полного искоренения Wolbachia у паразитоида, и проведено сравнение влияния эндосимбионта на пищеварительный метаболизм хозяина между двумя линиями паразитоида (Wolbachia-положительные и Wolbachia-отрицательные). В кишечнике личинок Wolbachia+ активность липаз была почти в 2 раза выше, а активность кислых протеаз, эстераз и трегалазы — в 1,5 раза выше, чем в линии Wolbachia–. Анализ гомогенатов личинок показал, что личинки, содержащие Wolbachia+, накапливают значительно больше липидов и имеют меньшее количество пирувата по сравнению с личинками, не содержащими Wolbachia-. Представленные результаты указывают на значительное влияние внутриклеточной симбиотической бактерии Wolbachia на метаболизм личинок H. hebetor и на активность их пищеварительных ферментов.
Kryukova, N.A., Kryukov, V.Y., Polenogova, O.V., Chertkova, Е.А., Tyurin, M.V., Rotskaya, U.N. Alikina, T., Kabilov, М. R., Glupov, V. V. (2023) The endosymbiotic bacterium Wolbachia (Rickettsiales) alters larval metabolism of the parasitoid Habrobracon hebetor (Hymenoptera: Braconidae). Archives of Insect Biochemistry and Physiology, e22053. https://doi.org/10.1002/arch.22053
Одна из глобальных мировых проблем - загрязнение окружающей среды антибиотиками, сопровождающееся формированием антибиотикорезистентности у микроорганизмов, в том числе и в кишечной микробиоте различных насекомых. В данной работе было проведено исследование влияния малых доз антибиотика (аминогликозидного ряда - амикацина) на микробиоту кишечника вощиной огневки Galleria mellonella, активность ее пищеварения, физиологические параметры и устойчивость личинок к энтомопатогенной бактерии Bacillus thuringiensis. Анализ микробиоты с помощью метагеномного секвенирования 16S рДНК показал, что длительное воздействие малых доз антибиотика (18 поколений) на вощинную огневку, значительно изменяет состав микробиоты кишечника в сторону преобладания недоминантных бактерий (Enterococcus mundtii). Эти изменения сопровождались повышением активности пищеварительных ферментов и ферментов-антиоксидантов в тканях кишечника. Однако при этом наблюдалось снижение массы куколок и устойчивости личинок к энтомопатогенным бактериям Bacillus thuringiensis. Вероятно, длительное воздействие антибиотика приводит к адаптации насекомых за счет изменения как сообщества микробиоты кишечника, так и физиологического состояния организма.
Kryukova, N.A., Kryukov, V.Y., Polenogova, O.V., Chertkova, Е.А., Tyurin, M.V., Rotskaya, U.N. Alikina, T., Kabilov, М. R., Glupov, V. V. (2023) The endosymbiotic bacterium Wolbachia (Rickettsiales) alters larval metabolism of the parasitoid Habrobracon hebetor (Hymenoptera: Braconidae). Archives of Insect Biochemistry and Physiology, e22053. https://doi.org/10.1002/arch.22053
Изменение соотношения видов в микробиоте насекомого может приводить к изменению их чувствительности к патогенам, что в свою очередь определяет характер и развитие инфекционного процесса. Совместное применение симбионтной бактерии Citrobacter freundii с энтомопатогенной бактерией Bacillus thuringiensis var. tenebrionis (morrisoni) приводит к увеличению смертности личинок колорадского жука до 69,0% (в 1,3–5 раз), а синергетический эффект наблюдается с 1-го по 6-й день. При этом преобладание в микробиоте бактерии C. freundii приводит к разрушению клеток кишечника начиная со вторых суток. В первые часы после комбинированной обработки регистрируется повышенная активность клеточного иммунного ответа и увеличение активности детоксицирующих ферментов лимфы. В то же время, активность детоксицирующих ферментов кишечника значительно снижается. Опираясь на полученные результаты, можно говорить об о том, что дисбиоз кишечного микробного сообщества, обусловленный преобладанием C. freundii, значительно влияет на клеточный и гуморальный иммунитет насекомого, повышая восприимчивость насекомого к энтомопатогенной бактерии Bacillus thuringiensis
Polenogova O.V., Noskov Y.A, Artemchenko A.S., Zhangissina S., Klementeva T.N., Yaroslavtseva O.N., Khodyrev V.P., Kruykova N.A., Glupov V.V. (2022). Сitrobacter freundii, a natural associate of the Colorado potato beetle, increases larval susceptibility to Bacillus thuringiensis. Pest Management Science. Doi: 10.1002/ps.6856.
Наиболее интересными в 2021 году представляются работы, связанные с изучением лектин-подобного пептида колорадского жука Leptinotarsa decemlineata, участвующего в иммунном ответе жука в ответ на грибную инфекцию. Пептид относится к группе R-лектинов и назван в исследовании LdRBLk (Ricin-like B Lectin of Leptinotarsa decemlineata with index «k» (Рицино-подобный бетта-лектин колорадского жука с индексом «k»)). Был оценен уровень его экспрессии у личинок колорадского жука (qPCR) в ответ на грибные инфекции M.robertsii и B.bassiana. Было изучено влияние коммерчески доступного β-лектина рицина (RBL) на прорастание конидий грибов in vitro. Установлено, что экспрессия гена пептида LdRBLk сильно увеличивается в ответ на обе грибные инфекции в кутикуле и жировом теле. Данный подъем коррелировал с подъемом экспрессии антимикробного пептида аттацина, но слабо соотносился с изменением экспресии Hsp90 (белка теплового шока). Методом кПЦР установлено, что происходит существенное увеличение экспрессии гена пептида LdRBLk при грибной инфекции различной этиологии и при топикальном термическом ожоге. Теоретически установлена первичная, вторичная и третичная структура пептида; его лиганд-специфичность, изоэлектрическая точка, гидрофильность-гидрофобность, локализация.
Rotskaya, U. N., Kryukov, V. Y., Kosman, E., Tyurin, M., & Glupov, V. V. (2021). Identification of the Ricin-B-Lectin LdRBLk in the Colorado Potato Beetle and an Analysis of Its Expression in Response to Fungal Infections. Journal of Fungi, 7(5), 364. https://doi.org/10.3390/jof7050364
Физиология кишечника и бактериальное сообщество играют решающую роль в восприимчивости насекомых к инфекциям и инсектицидам. Мы изучили влияние Bacillus thuringiensis subsp. morrissoni, природного комплекса авермектинов и комбинации обоих агентов на клеточную структуру, активность пищеварительных ферментов и бактериальные сообщества среднего кишечника личинок Leptinotarsa decemlineata. Параллельно оценивали выживаемость личинок колорадского жука. Установлен аддитивный эффект между B. thuringiensis и авермектинами, проявляющийся в разрушением тканей среднего кишечника, снижением активности альфа-амилаз и щелочных протеаз, соответственно, приводящий к активной гибели личинок жука . Кроме того, было отмечено снижение относительной численности внутриклеточного симбионта Spiroplasma leptinotarsa и значительное увеличение численности Enterobacteriaceae в среднем кишечнике под влиянием B. thuringiensis и авермектинов. Наибольшее повышение Enterobacteriaceae было зарегистрировано после комбинированного воздействия. Насекомые, предварительно обработанные антибиотиками, были менее восприимчивы к B. thuringiensis и авермектинам, однако повторное введение энтеробактерий Enterobacter ludwigii, Citrobacter freundii и Serratia marcescens, являющихся доминантными в микробиоте L. decemlineata, повысило восприимчивость к обоим агентам. Мы предполагаем, что энтеробактерии играют важную роль в ускорении заражения B. thuringiensis и токсического воздействия авермектина у L. decemlineata, а аддитивный эффект может быть опосредован изменениями в бактериальном сообществе.
Polenogova, O. V., Noskov, Y. A., Yaroslavtseva, O. N., Kryukova, N. A., Alikina, T., Klementeva, T. N., Andrejeva, J., Khodyrev, V. P., Kabilov, M. R., Kryukov, V. Y., & Glupov, V. V. (2021). Influence of Bacillus thuringiensis and avermectins on gut physiology and microbiota in Colorado potato beetle: Impact of enterobacteria on susceptibility to insecticides. PloS one, 16(3), e0248704. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0248704
Изучено влияние энтомопатогенного гриба Metarhizium robertsii и биологического инсектицида на основе авермектинов на выживаемость и физиологические показатели личинок кровососущих комаров Aedes aegypti. Показано, что комбинированное применение этих агентов приводит к синергетическому эффекту в смертности личинок комаров. Несмотря на то, что M. robertsii специализируется на наземных насекомых, нами впервые показана колонизация личинок Ae. aegypti гифальными телами этого гриба после внесения конидий в воду.
Личинки, пораженные грибами, характеризуются снижением уровней фенолоксидазы и нейрогормона дофамина. На начальных стадиях токсикоза (12 ч после обработки) при воздействии авермектинов и при грибной инфекции наблюдается повышение активности детоксицирующих ферментов насекомых (глутатион-S-трансферазы (ГСТ), неспецифическе эстеразы (ЭСТ), а также кислых протеазы). При комбинированном воздействии активность данных ферментов снижается. Лизоцим-подобная активность также сильно снижается при комбинированном воздействии на ранних стадиях (12 ч) после обработки. Через 48 часов после обработки наблюдается увеличение ГСТ, ЭСТ, кислых протеаз и лизоцим-подобной активности под воздействием гриба и/или авермектинов. Под воздействием авермектинов личинки накапливают меньше конидий, однако, этого количества хватает для проявления синергетического эффекта в смертности личинок. Кроме того, при комбинированной обработке отмечено существенное увеличение бактериальных КОЕ.
Мы предполагаем, что нарушение реакций иммунной и детоксицирующей систем при комбинированных обработках с одной стороны, и развитие условно-патогенных бактерий, с другой, может быть одной из основных причин возникновения синергетического эффекта. Таким образом, комбинированное применение энтомопатогенных грибов и микробных метаболитов является перспективным методом борьбы с личинками кровососущих комаров.
Noskov YA, Polenogova OV, Yaroslavtseva ON, Belevich OE, Yurchenko YA, Chertkova EA, Kryukova NA, Kryukov VY, Glupov VV. 2019. Combined effect of the entomopathogenic fungus Metarhizium robertsii and avermectins on the survival and immune response of Aedes aegypti larvae. PeerJ 7:e7931. doi.org/10.7717/peerj.7931(WOS, SCOPUS).
Программа фундаментальных научных исследований (ФНИ) государственной академии наук на 2026–2030 гг., проект № FWGS-2026-0005, «Взаимодействий в паразит-хозяинных системах: физиологические и экологические аспекты», руководитель В.В. Глупов
Грант РНФ на 2023-2026, № 23-66-10015, руководитель Мартемьянов В. В.
Грант РНФ на 2025-2027, № 25-15-00010, руководитель Тимофеева А. М.
Программа фундаментальных научных исследований (ФНИ) государственной академии наук на 2021–2025 гг., проект № FWGS-2021-0001, «Взаимоотношения «паразит-хозяин» в многокомпонентных системах», руководитель В.В. Глупов.
Грант РНФ на 2022-2025, № 22-76-10051, руководитель Поленогова О.В.
Грант РНФ на 2023-2025, № 23-16-00262 , руководительТокарев Ю.С.
Блок текста
Блок текста
Блок текста