Insect Mortality Caused by Baculovirus: a Model of Second-Order Phase Transitions

V. G. Soukhovolsky; Суховольский В. Г.; D. K. Kurenschikov; Куренщиков Д. К.; Yu. D. Ivanova; Иванова Ю. Д.; A. V. Kovalev; Ковалев А. В.

doi:10.31857/S1026347022600595

Смертность насекомых под воздействием бакуловируса: модель фазовых переходов второго рода

Авторы: Суховольский В.Г.¹, Куренщиков Д.К.², Иванова Ю.Д.³, Ковалев А.В.⁴
Учреждения:
1. Институт леса им. В.Н. Сукачева – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН
2. Институт водных и экологических проблем ХФИЦ ДВО РАН
3. Институт биофизики – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН
4. ФИЦ КНЦ СО РАН
Выпуск: № 5 (2023)
Страницы: 557-567
Раздел: ЭКОЛОГИЯ
URL: https://journals.rcsi.science/1026-3470/article/view/135561
DOI: https://doi.org/10.31857/S1026347022600595
EDN: https://elibrary.ru/WIYGJR
ID: 135561

Цитировать

Аннотация

Рассмотрена возможность применения математической модели фазовых переходов второго рода с двумя свободными параметрами для описания эпизоотии кольчатого шелкопряда Malacosoma neustria L. и непарного шелкопряда Lymantria dispar L. под воздействием вируса ядерного полиэдроза. Для оценки чувствительности насекомых к воздействию бакуловирусов проводились лабораторные эксперименты по оценке выживаемости гусениц под различной инфекционной нагрузкой. В модели описывался процесс гибели особей в зависимости от двух факторов – титра вирусов как дозы воздействия и продолжительности жизни особи в зависимости от титра вирусов. Информация о продолжительности жизни насекомых после воздействия вируса представлена в виде функции выживания. В настоящей работе рассмотрена возможность построения модели времени жизни насекомых после воздействия бакуловирусов как аналога фазового перехода второго рода в физических системах и даны оценки параметров моделей для двух видов насекомых при разных титрах бакуловирусов и при разном возрасте гусениц. Показано, что продолжительность латентного периода и времени гибели всех особей в выборке линейно уменьшается с ростом логарифма титра вирусов.

Ключевые слова

вирус ядерного полиэдроза, кольчатый шелкопряд, Malacosoma neustria, непарный шелкопряд, Lymantria dispar, динамика популяций, смертность, моделирование, фазовые переходы второго рода

Список литературы

Исаев А.С., Хлебопрос Р.Г., Недорезов Л.В., Кондаков Ю.П., Киселев В.В., Суховольский В.Г. Популяционная динамика лесных насекомых. М.: Наука, 2001. 374 с.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Статистическая физика. Ч. I. М.: Наука, 1976. 584 с.
Anderson R.M., May R.M. Infectious diseases and population cycles of forest insects // Science. 1980. V. 210. P. 658–661.
Bailey D., Chandler W.P., Grant J., Greaves G., Prince M. Tatchell. Biopesticides: Pest Management and Regulation. CABI International, Wallingford. 2010. 232 p.
Bonsall M., Godfray H.C.J., Briggs C., Hassell M.P. Does host self-regulation increase the likelihood of insect-pathogen population cycles? // Am. Nat. 1999. V. 153. P. 228–235.
Boots M., Norman R. Sublethal infection and the population dynamics of host-microparasite interactions // J. Anim. Ecol. 2000. V. 69. P. 517–524.
Bowers R., Begon M., Hodgkinson D. Host-pathogen population cycles in forest insects? Lessons from simple models reconsidered // Oikos. 1993. V. 67. P. 529–538.
Briggs C.J., Godfray H.C.J. The dynamics of insect-pathogen interactions in seasonal environments // Theor. Popul. Biol. 1996. V. 50. P. 149–177.
Bruce A.D., Cowley R.A. Structural phase transitions. L.: Taylor & Francis, 1981. 326 p.
Copping L.G., Menn J.J. Biopesticides: a review of their actions, applications and efficacy// Pest Manage Sci. 2000. V. 56. P. 651–676.
Cory J.S., Clarke E.E., Brown M.L., Hails R.S., O’Reilly D.R. Microparasite manipulation of an insect: the influence of the egt gene on the interaction between a baculovirus and its lepidopteran host // Funct. Ecol. 2004. V. 18. P. 443–450.
Cory J.S., Myers J.H. The ecology and evolution of insect baculoviruses // Ann. Rev. Ecol. Evol. Syst. 2003. V. 34. P. 239–272.
Cox D.R., Oakes D. Analysis of survival data. CRC Press, Boca Raton, 1984. 208 p.
Dwyer G., Dushoff J., Elkinton J.S., Levin S.A. Pathogen-driven outbreaks in forest defoliators revisited: building models from experimental data // Am. Nat. 2000. V. 156. P. 105–120.
Dwyer G., Elkinton J.S., Buonaccorsi J.P. Host heterogeneity in susceptibility and disease dynamics: tests of a mathematical model // Am. Nat. 1997. V. 150. P. 685–707.
Elam P., Vail P.V., Schreiber F. Infectivity of Autographa californica nuclear polyhedrosis virus extracted with digestive fluids of Heliothis zea, Estigmene acrea, and carbonate solutions // J. Invertebr. Pathol. 1990. V. 55. P. 278–283.
Elkinton J.S. Gypsy Moth. In Encyclopedia of Insects; Resh V.H., Cardé R.T. Eds.; Academic Press: San Diego, CA, USA, 2009. P. 435–439.
Engelhard E.K., Volkman L.E. Developmental resistance in fourth instar Trichoplusia ni orally inoculated with Autographa californica M nuclear polyhedrosis virus // Virology. 1995. V. 209. P. 384–389.
Getz W., Pickering J. Epidemic models: thresholds and population regulation // Am. Nat. 1983. V. 121. P. 893–898.
Goldberg A.V., Romanowski V., Federici B.A., Sciocco de Cap A. Effect of the epap granulovirus on its host, Epinotia aporema (Lepidoptera: Tortricida) // J. Invertebr. Pathol. 2002. V. 80. P. 148–159.
Han Y., van Houte S., Drees G.F., van Oers M.M., Ros V.I.D. Parasitic manipulation of host behaviour: baculovirus SeMNPV EGT facilitates tree-top disease in Spodoptera exigua larvae by extending the time to death // Insects. 2015. V. 6. P. 716–731.
Harrison R.L., Keena M.A., Rowley D.L. Classification, genetic variation and pathogenicity of Lymantria dispar nucleopolyhedrovirus isolates from Asia, Europe, and North America // J. Invertebr. Pathol. 2013. V. 116. P. 27–35.
Hochberg M. Nonlinear transmission rates and the dynamics of infectious diseases // J. Theor. Biol. 1991. V. 153. P. 301–321.
Ilyinykh A., Kurenschikov D., Ilyinykh Ph., Imranova E., Polenogova O., Baburin A. Sensitivity of gypsy moth Lymantria dispar larvae from geographically removed populations to nucleopolyhedrovirus // SHILAP Revta. lepid. 2013. V. 41. P. 349–356.
Kalbfleisch J., Prentice R. The Statistical Analysis of Failure Time Data. N.Y.: J. Wiley, 2002. 462 p.
Kleinbaum D.G., Klein M. Survival analysis: a self-learning text. Springer-Verlag N.Y. Inc., 2012. 700 p.
Marrone P.G. Barriers to adoption of biological control agents and biological pesticides// CAB Reviews: Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources. 2007. V. 2. № 051. 12 p.
Martemyanov V.V., Dubovskiy I.M., Rantala M.J., Salminen J.-P., Belousova I.A., Pavlushin S.V., Bakhvalov S.A., Glupov V.V. The Effects of Defoliation-Induced Delayed Changes in Silver Birch Foliar Chemistry on Gypsy Moth Fitness, Immune Response, and Resistance to Baculovirus Infection // J. Chem. Ecol. 2012. V. 38. P. 295–305.
Matthews H.J., Smith I., Edwards J.P. Lethal and sublethal effects of a granulovirus on the tomato moth Lacanobia oleracea // J. Invertebr. Pathol. 2001. V. 80. P. 73–80.
Milks M.L., Myers J.M., Leptich M.K. Costs and stability of cabbage looper resistance to a nucleopolyhedrovirus // Evol. Ecol. 2002. V. 16. P. 369–385.
Moscardi F. Assessment of the application of baculoviruses for control of Lepidoptera // Ann. Rev. Entomol. 1999. V. 44. P. 257–289.
Myers J.H. Population fluctuations of the western tent caterpillar in southwestern British Columbia. // Popul. Ecol. 2000. V. 42. P. 231–241.
Myers J., Malakar H.R., Cory J.S. Syblethal nucleopolyhedrovirus infection effects on female pupal weight, egg mass size, and vertical transmission in gypsy moth (Lepidoptera: Lymantriidae) // Environ. Entomol. 2000. V. 29. P. 1268–1272.
Podgwaite J.D. Gypchek: Biological Insecticide for the Gypsy Moth // J. For. 1999. V. 97. P. 16–19.
Regniere J. Vertical transmission of diseases and population dynamics of insects with discrete generations: a model // J. Theor. Biol. 1984. V. 107. P. 287–301.
Rohrmann G.R. Baculovirus molecular biology. 3rd ed. Bethesda (MD): Nat. Center Biotechnol. Inform. (US), 2013. 347 p.
Saxena A., Byram P.K., Singh S.K., Chakraborty J., Murhammer D., Giri L.J. A structured review of baculovirus infection process: integration of mathematical models and biomolecular information on cell-virus interaction // General Virology. 2018. V. 99. P. 1151–1171.
Shrestha S., Elderd B.D., Dukic V. Bayesian-based survival analysis: inferring time to death in host-pathogen interactions // Environmental and Ecological Statistics. 2019. V. 26. P. 17–45.
Szewcyk B., Hoyos-Carvajal L., Paluszek M., Skrzecz I., Lobo de Souza M. Baculovirusesre-emerging biopesticides // Biotechnol. Adv. 2006. V. 24. P. 143–160.
Thakore Y. The biopesticide market for global agricultural use // Ind. Biotechnol. 2006. V. 2(3). P. 194–208.
Ulrich Y., Schmid-Hempel P. Host modulation of parasite competition in multiple infections // Proc. R. Soc. Lond. B: Biol. Sci. 2012. V. 279. P. 2982–2989.
Vezina A., Peterman R. Tests of the role of nuclear polyhedrosis virus in the population dynamics of its host, Douglas-fir tussock moth, Orgyia pseudotsugata (Lepidpotera: Lymantriidae) // Oecologia. 1985. V. 67. P. 260–266.
White A., Bowers R., Begon M. Host-pathogen cycles in self-regulated forest insect systems: resolving conflicting predictions // Am. Nat. 1996. V. 148. P. 220–225.
Woods S.A., Elkinton J.S. Bimodal patterns of mortality from nuclear polyhedrosis virus in gypsy moth Lymantria dispar populations // J. Invertebr. Pathol. 1987. V. 50. P. 151–157.