Коричнево-мраморный клоп, Halyomorpha halys, — инвазивный вид, родом из Восточной Азии, который быстро расширил свой ареал на Северную Америку, Южную Америку и Европу. Его высокая мобильность, широкий круг хозяев и высокий репродуктивный потенциал привели к значительным сельскохозяйственным потерям и сезонным проблемам в городских условиях. С учетом тренда на биологизацию АПК исследователи разрабатывают натуральный биоинсектицид на основе кофеина.
Вероятно, завезенный через международную торговлю, коричнево-мраморный клоп в настоящее время считается основным вредителем фруктовых, овощных и декоративных культур во многих частях мира.
В Европе H. halys неуклонно распространялся в течение последних двух десятилетий с большим ущербом, поскольку клоп используюет для питания более 300 видов растений-хозяев из различных ботанических семейств.
Вредитель питается, прокалывая растительные ткани своими стилетоподобными ротовыми органами, что позволяет ему получать доступ к питательным веществам из плодов, листьев и стеблей. Такое питание вызывает как механические повреждения, так и биохимические нарушения, поскольку ферменты слюны разрушают растительные клетки, приводя к некрозу и физиологическому стрессу у растений-хозяев.
Первоначальные меры борьбы основывались на использовании инсектицидов широкого спектра действия. Хотя эти химические вещества были временно эффективны, они представляли серьезную опасность для нецелевых организмов, опылителей и полезных членистоногих, тем самым нарушая существующие системы интегрированной защиты растений.
В результате исследования все больше сосредотачиваются на альтернативных, экологически устойчивых подходах, включая стратегии привлечения и уничтожения на основе семиохимических веществ, физическое исключение с помощью сеток, классический биологический контроль с использованием яйцевых паразитоидов, таких как Trissolcus japonicus и Trissolcus mitsukurii, и стратегии, направленные на микробиоту, которые нарушают основных симбионтов насекомых.
Также исследуются варианты биоинсектицидов. В этом контексте внимание привлекли природные соединения, включая кофеин. Недавние лабораторные исследования показали, что как чистый кофеин, так и водные экстракты кофе обладают значительной инсектицидной активностью против H. halys, что подтверждает возможность их включения в будущие стратегии интегрированной защиты растений.
Кофеин (1,3,7-триметилксантин) — это пуриновый алкалоид, вырабатываемый в природе несколькими видами растений. Хотя он широко известен своими стимулирующими эффектами у человека, кофеин также действует как естественное защитное соединение в растениях, отпугивая травоядных насекомых благодаря своему токсическому действию.
Его инсектицидный механизм действия в основном связан с ингибированием фосфодиэстеразы, что приводит к повышению внутриклеточного уровня циклического аденозинмонофосфата, в конечном итоге нарушая нормальную физиологию насекомых и их пищевое поведение.
Кроме того, было показано, что кофеин синергически взаимодействует с другими инсектицидными соединениями, повышая их эффективность даже в более низких дозах. Предварительные лабораторные исследования подтверждают широкий инсектицидный потенциал кофеина для различных таксонов.
Перспективный подход к дальнейшему улучшению инсектицидных свойств кофеина заключается в использовании агентов-носителей, в частности хитозана, который может стабилизировать и усиливать биоактивность чувствительных соединений.
Хитозан, деацетилированное производное хитина, представляет собой катионный биополимер, способный образовывать электростатические взаимодействия с отрицательно заряженными поверхностями эпикутикулы насекомых и эпителия кишечника. Его поверхностно-активные и мукоадгезивные свойства повышают проницаемость и удержание активных соединений, таких как кофеин, одновременно оказывая собственное энтомотоксическое действие за счет нарушения работы кишечника и осмотического дисбаланса. Эти синергетические эффекты хорошо задокументированы в исследованиях по контролируемой доставке пестицидов.
Важно отметить, что хитозан является не пассивным носителем, а активным биоагентом. Было показано, что он оказывает прямое энтомотоксическое воздействие, нарушая целостность кишечника насекомых, ухудшая усвоение питательных веществ, модулируя иммунные реакции и действуя как антифидант. Его активность в качестве поверхностно-активного вещества и хелатора дополнительно способствует физиологическим нарушениям у насекомых.
Более того, деградация кофеина в окружающей среде происходит посредством фотолиза и микробной биодеградации, в результате чего образуются метаболиты, такие как теобромин и пара-аксантин, которые менее биологически активны. Повышая стабильность кофеина и снижая необходимую дозу, хитозан может минимизировать как стойкость в окружающей среде, так и потенциальные нецелевые эффекты.
Команда исследователей из Венгерского университета сельского хозяйства и наук о жизни и Загребского университета, Хорватия, оценила эффективность препаратов на основе кофеина — как отдельно, так и в сочетании с хитозаном, уксусной кислотой и этанолом — против взрослых особей в лабораторных условиях, используя местное применение и 72-часовую оценку смертности.
Наиболее эффективной в целом оказалась формула 1% кофеина + 1% хитозана + 3% уксусной кислоты, достигшая смертности 57,5% и превзошедшая более высокие концентрации кофеина (3–5%).
Этанол в качестве сорастворителя постоянно снижал эффективность при различных концентрациях.
Результаты различных обработок показывают, что биоэффективность в основном определялась химическим составом, а не дозой: матрица хитозан-уксусная кислота усиливала кутикулярное осаждение, удержание и диффузию кофеина, тогда как высокие уровни кофеина, вероятно, запускали детоксикационные реакции и/или снижали биодоступную дозу из-за осаждения.
Благодаря возможности использования более низких концентраций активного ингредиента с равной или большей биоактивностью, биоразлагаемая система хитозан-кислота улучшает экологические характеристики инсектицидов на основе кофеина.
Эти результаты определяют практичный и простой путь оптимизации доставки кофеина для борьбы с коричнево-мраморным клопом и поддерживают интеграцию в системы интегрированной защиты растений. Для преобразования этих результатов в надежные и устойчивые стратегии борьбы с вредителями необходимы полевые испытания, тестирование на более ранних стадиях развития вредителя, а также оценка нецелевых эффектов и биомаркеров резистентности.
Источник: Agronomy 2025, doi.org/10.3390/agronomy15122867