Колорадский жук (Leptinotarsa decemlineata) уже более века остается главным вредителем картофеля по всему миру. И при этом ученым хорошо известен его грозный природный враг. Когда же профессиональные картофелеводы и даже дачники смогут пойти и купить клопа Арму китайскую в свободном доступе? Исследователи работают на этим!
Главным фаворитом в биоконтроле колорадского клопа на сегодня является хищный клоп-щитник Арма китайская (Arma chinensis). Обладая феноменальным аппетитом к колорадскому жуку, этот энтомофаг долгое время считался «серебряной пулей» для картофелеводов. Однако на пути из лабораторий на многогектарные поля картофеля хищник, увы, столкнулся с непредвиденными препятствиями.
Сразу отметим, что все ключевые, прорывные исследования по клопу Arma chinensis и технологиям его роботизированного разведения проводятся в Китае. Этот клоп является аборигенным (местным) видом для Восточной Азии, поэтому именно китайские институты обладают самой мощной научной базой и государственным финансированием для его изучения.
В закрытых инсектариях и лабораториях Arma chinensis демонстрирует абсолютное превосходство над колорадским жуком. Биология этого хищника делает его идеальным охотником. Клоп вооружен мощным колюще-сосущим хоботком. Обнаружив яйцекладку или личинку жука, Арма прокалывает её покровы и впрыскивает внутрь агрессивный коктейль из парализующих нейротоксинов и ферментов. Ткани жертвы превращаются в жидкий питательный бульон, который клоп полностью высасывает.
Исследования (включая масштабные тесты, опубликованные в CABI Agriculture and Bioscience) подтверждают: Арма действует по классической модели высокоэффективного хищника. Чем выше плотность колорадского жука на кусте картофеля, тем активнее клоп уничтожает вредителя, превосходя внутренние пороги насыщения. Она способна полностью зачищать очаги массового размножения жука на ранних стадиях.
Если клоп так хорош, почему картофельные поля до сих пор опрыскивают инсектицидами от колорадского жука, а не заселяют полезными насекомыми?
Практическое внедрение отличается от лабораторных экспериментов.
Чтобы выпустить на поле армию клопов, их нужно вырастить на специализированных фабриках. Исторически хищных клопов приходилось кормить живыми насекомыми (например, личинками большого мучного хруща), что делает себестоимость одной особи баснословной. Попытки перевести Арму на дешевый искусственный корм (мясной фарш со специальными добавками) привели к биологическому регрессу. Выращенные на эрзац-диетах поколения рождались мелкими, вялыми, у них нарушалась симметрия крыльев, а главное — они теряли интерес к жестким личинкам колорадского жука.
Свежие исследования трехстороннего взаимодействия (растение - вредитель - хищник) выявили опасную уязвимость. При умеренной засухе картофель снижает иммунитет, а колорадский жук активизируется и быстрее набирает массу. Но сам клоп Arma chinensis крайне чувствителен к падению влажности воздуха. В засушливые периоды хищник страдает от обезвоживания, снижает репродуктивную активность и массово гибнет. Таким образом, в момент, когда картофелю сильнее всего нужна защита, его главный защитник капитулирует перед погодой.
Чтобы преодолеть эти барьеры, ученые и биотехнологические компании объединили усилия, что привело к ряду знаковых открытий.
Защита картофеля Армой строится на стыке дисциплин.
Искусственный интеллект на конвейере отбора. Проблему вырождения клопов на искусственных диетах начали решать с помощью компьютерного зрения. Специальные нейросети на биофабриках в реальном времени анализируют биометрические параметры личинок клопа (скорость передвижения, охотничьи стойки). Это позволяет проводить автоматическую экспресс-селекцию, оставляя для размножения только самых сильных и агрессивных особей, игнорируя негативные эффекты суррогатного корма.
Трансгенный синергизм (RNAi). Важнейшим шагом стало тестирование Армы совместно с технологиями РНК-интерференции. Ученые создали линии картофеля, которые при поедании листа отключают жизненно важные гены в организме колорадского жука. Эксперименты доказали: если клоп съедает жука, ослабленного РНК-интерференцией, сам хищник не получает никакого вреда. Это открывает путь к «двойному удару»: ГМО-картофель блокирует развитие популяции вредителя, а выпущенная Арма добивает выживших особей.
Криоконсервация и управление диапазоузой. Исследователи научились искусственно вводить клопов в состояние диапаузы (зимней спячки), обогащая их рацион аминокислотами (например, пролином). В будущем биофабрики могут круглый год накапливать миллионы особей на складах-холодильниках и «пробуждать» их строго к моменту массового весеннего выхода колорадского жука из почвы, нивелируя проблему сезонного дефицита энтомофагов.
Клоп Arma chinensis, как считают исследователи, обязательно эволюционирует из сугубо лабораторного объекта в высокотехнологичный инструмент биозащиты картофеля. Да, он не сможет полностью заменить химию в одночасье, но в рамках интегрированной защиты растений его потенциал огромен. Преодоление экономических и климатических барьеров с помощью ИИ и биотехнологий позволит превратить этого природного хищника в надежного защитника картофеля.
Ниже приведен список конкретных научных центров и авторов, чьи работы легли в основу описанных технологий.
1.Разработка искусственных диет и селекция (СААS)
Кто проводит: Китайская академия сельскохозяйственных наук (CAAS) в Пекине — главный мировой лидер по этой теме. Конкретно — Институт защиты растений при CAAS. Ключевые ученые: Лишэн Чжан (Lisheng Zhang) и Мэнцин Ван (Mengqing Wang). Они работают в тесной кооперации с Томасом Кудроном (Thomas A. Coudron) из Университета Миссури (США).
Группа Чжана расшифровала протеом и транскриптом клопа, чтобы понять, какие именно белки отключаются у насекомого при питании фаршем из свиной печени и тунца, и как вернуть ему агрессивность.
2. Системы ИИ и автоматизация разведения энтомофагов
Кто проводит: Шаньдунский сельскохозяйственный университет (Shandong Agricultural University). При нем создан специальный Исследовательский центр больших сельскохозяйственных данных (Agricultural Big-Data Research Center).
Специалисты по Data Science совместно с энтомологами разработали алгоритмы высокоскоростного скрининга хищных насекомых. Исследования по автоматизации отбора (так называемое «умное разведение» или intelligent mass rearing) были обобщены в крупных биотехнологических обзорах журналов Trends in Biotechnology и Insects. Они доказали эффективность применения ИИ для отбраковки «деградировавших» на искусственном корме линий.
3. Полевые испытания Армы против колорадского жука
Кто проводит: Институт защиты растений Синьцзян-Уйгурского автономного района (Урумчи, Китай). Ключевые ученые: Хуан Лю (Juan Liu) и Чао Ли (Chao Li).
Это авторы исследования (опубликованного в журнале CABI Agriculture and Bioscience), которые выпустили Arma chinensis в открытые экспериментальные садки на полях картофеля, атакованных колорадским жуком, доказав математическую эффективность клопа (модель Холлинга II типа).
4. Эксперименты с ГМО-картофелем и безопасностью клопа (RNAi)
Кто проводит: группа исследователей под руководством Ханхань Сунь (Hanhan Sun), работающая на базе национальных китайских лабораторий по биобезопасности.
Они опубликовали данные о том, что трансгенный картофель (линия St-Prrn-ACT), убивающий колорадского жука методом РНК-интерференции, абсолютно не вредит клопу Arma chinensis, если тот съедает отравленного жука. Это открыло дорогу совместному применению биотеха и энтомофагов.