Может ли иммунитет хозяина работать на паразита?
Взаимодействия между микробиотой и паразитами у насекомых-вредителей

Насекомые-­вредители могут уничтожать до 100 % урожая сельскохозяйственных культур, приводя к колоссальному экономическому ущербу; не меньший урон наносят и вредители леса. К примеру, только в Сибири в 2017 г. сибирским шелкопрядом – ​крупной невзрачной бабочкой, гусеницы которой питаются хвоей, – ​было поражено около 1,3 млн га лесных массивов.

Для борьбы с такими вредителями используют преимущественно синтетические инсектициды, при этом главной проблемой становится быстрое формирование у насекомых устойчивости к этим токсическим соединениям. К тому же подобные методы приводят к загрязнению окружающей среды и могут принести вред не только полезным насекомым, но и другим животным и человеку. Одним из отдаленных негативных последствий применения инсектицидов для здоровья человека является увеличение риска развития онкологических заболеваний, патологий репродуктивной, иммунной и нервной систем.

Все это побуждает ученых искать экологически безопасные способы подавления численности вредных насекомых. И один из них – ​использование специализированных паразитов, хозяевами для которых служат исключительно насекомые и которые не представляют угрозу для других животных, включая теплокровных.

Азиатская, или перелетная, саранча (Locusta migratoria) – ​крупное (длиной 3,5–6,5 см) насекомое-­фитофаг. В фазу стадной жизни личинки этого злостного вредителя зерновых способны преодолевать за сутки расстояния в десятки километров по земле, а взрослые особи – ​сотни километров по воздуху. Для борьбы с перелетной саранчой сейчас используют разные методы: от химических пестицидов до биопрепаратов, таких как Green Muscle против стадных саранчовых, созданный на основе энтомопаразитических грибов рода Metarhizium.
Этот род грибов насчитывает более 80 видов, которые поражают насекомых-­вредителей из разных таксономических групп, включая колорадского жука, проволочников, медведок, пластинчатоусых жуков и др. Среди этих грибов есть как малоспециализированные виды, так и виды, поражающие лишь определенные таксоны. Споры грибов содержатся в почве природных биоценозов и агроландшафтов; попадая на покровы насекомых, они прорастают внутрь тела, поражая внутренние органы.
Metarhizium – ​один из наиболее глубоко изученных патогенов насекомых, которому посвящены тысячи экспериментальных статей и сотни обзоров. На основе этих грибов в мире было разработано более сотни биопрепаратов. В частности, над Green Muscle в течение 13 лет трудился большой коллектив ученых, технологов и бизнесменов из Европы, Северной Америки и Африки. Работа шла в рамках исследовательской программы Lubilosa, направленной на создание биологической альтернативы химической борьбы с саранчой. В результате удалось вывести на рынок формы препарата, обеспечивающие защиту грибных спор, наладить массовое производство, найти новые способы опрыскивания

На насекомых паразитируют те же группы организмов, что и на млекопитающих (простейшие, бактерии, грибы, паразитические черви, другие членистоногие), при этом их разнообразие намного выше. Это объясняется большим числом видов самих насекомых, отсутствием у них постоянной температуры тела, а также широким спектром местообитаний.

Как и у других организмов, развитие паразитоза у насекомых – ​это сложный многоступенчатый процесс, зависящий от характеристик самого паразита, физиологического состояния и иммунного статуса хозяина, факторов внешней среды. Но есть и важное отличие: у насекомых заражение чаще приводит к летальному исходу для жертвы. Паразиту зачастую необходимо убить своего прокормителя, чтобы завершить свой жизненный цикл и дать дочернее поколение. Так ведут себя некоторые бактерии, почти все паразитические грибы-­аскомицеты (например, широко известные спорыньевые грибы из рода Cordyceps), многие круглые черви-­нематоды.

Подобная стратегия характерна для паразитоидов – ​организмов, которые проводят значительную часть жизни на покровах или внутри своего хозяина, питаются его тканями и постепенно убивают. Поэтому паразитоиды-­энтомофаги, обитающие на насекомых, играют существенную роль при создании интегрированных методов защиты растений. Они особенно эффективны против скрытно живущих насекомых, которые используют растения не только как пищу, но и в качестве укрытия, что усложняет борьбу с этими вредителями. К таким видам относятся, к примеру, хлопковая совка, гусеницы которой «прячутся» в коробочках хлопчатника, или кукурузный мотылек, зимующий в стеблях поврежденных им растений.

Между микробиотой и паразитом

Восприимчивость насекомых-­вредителей к паразитам определяется целым рядом факторов. Во-первых, это вирулентность самого патогена, т. е. его способность заразить данный организм. Во-вторых – ​внешние факторы, в первую очередь интенсивность ультрафиолетового излучения, влажность и температура. Так, в солнечный день УФ-излучение может за несколько часов уничтожить споры патогена. При низкой влажности снижается вирулентность паразитических грибов и нематод, а при высоких и низких (> 35 и < 10 °C) температурах их рост замедляется.

Действие этих факторов особенно важно для подавления численности насекомых в открытом грунте, тогда как в теплицах можно создать более контролируемые условия. Но в любом случае проблемы можно решить, к примеру, селекцией штаммов, устойчивых к высоким температурам и низкой влажности, введением в препараты УФ-протекторов.

Колорадский жук, или картофельный листоед (Leptinotarsa decemlineata), – ​яркий пример опасного инвазивного вида, завезенного человеком на новые территории. Этот североамериканский любитель растений из семейства пасленовых, к которым относятся картофель, томат и баклажан, в 1870‑х гг. вместе с грузовыми судами добрался до Европы, откуда к концу прошлого века распространился до Дальнего Востока.
У этого вида зимуют только взрослые особи, которые осенью зарываются в почву и выходят на поверхность с наступлением теплых дней, при этом выход может очень растянуться. А часть популяции способна в состоянии покоя находиться в почве несколько лет.
Природных врагов у колорадского жука немного, в том числе из-за высокого содержания в его теле токсинов – ​результата пасленовой диеты. Один из предполагаемых врагов – ​вирус Leptinotarsa iflavirus 1, впервые описанный из популяции жука на юге Западной Сибири. Эта инфекция ассоциирована с характерными симптомами. Погибшие личинки принимают типичную позу: их тело, как и конечности, полностью распрямляются, ноги расходятся в разные стороны. По предварительным данным новосибирских специалистов, до 60 % личинок колорадского жука может спонтанно погибать от этой вирусной инфекции. Геном ифлавируса был недавно расшифрован (Antonets et al., 2024), что открывает перспективы разработки новых способов биологического контроля этого опасного вредителя

Не менее важным является состояние здоровья самих насекомых-­вредителей, и в первую очередь характеристики их иммунитета, состав и численность обитающих в них микробов. Нужно отметить, что в последнее время в биологии и медицине все шире используется такое понятие, как микробиота, под которым подразумевается все сообщество МИКРОорганизмов, населяющих МАКРОорганизм. Еще один популярный термин – ​микро­симбиоценоз – ​акцентирует внимание на сложных взаимосвязях как между самими микробными ассоциациями, так и между ними и хозяином и окружающей средой. Именно эти взаимоотношения в значительной мере определяют возможности организма хозяина обес­печить свой гомеостаз – ​жизненно важное постоянство внутренней среды.

Микробиота насекомых, как и млекопитающих и других позвоночных, участвует в выполнении ряда важных функций организма, включая пищеварение, сигнальные взаимодействия, детоксикацию, защиту от патогенов и др. Как и у других животных, у насекомых наиболее многочисленными и разнообразными являются микробные сообщества кишечника и наружного покрова, представленного у них многослойной кутикулой, служащей внешним скелетом. Внутренние органы у насекомых также часто нестерильны – ​в них имеются как внутриклеточные, так и свободно циркулирующие микробы.

Важно подчеркнуть, что структура такой микробиоты зависит от питания и других условий и может подвергаться значительным перестройкам в течение жизненного цикла, а также при заражении теми или иными патогенами. И в последнем случае роль этого сообщества может быть двоякой.

Бактерии – ​патриоты и оппортунисты

Известны примеры, когда бактерии-­симбионты насекомых повышают их устойчивость к паразитическим грибам или паразитоидам.

Так, Hamiltonella defensa, симбиотическая внутриклеточная бактерия тлей и других насекомых, питающихся соком растений, защищает хозяина от злейшего врага – ​паразитических ос-наездников Aphidius ervi. Взрослые осы откладывают свои яйца в тела тлей, и развивающиеся там личинки убивают своих хозяев. Гамильтонелла вырабатывает токсический белок, который приводит к гибели личинок ос-наездников, при этом токсин закодирован в геноме даже не самой бактерии, а ее симбионта – ​вируса-­бактериофага (Oliver et al., 2009).

Другие внутриклеточные бактерии-­симбионты тлей – ​риккетсии и спироплазмы – повышают устойчивость этих насекомых к грибам из порядка энтомофторовые, представители которых в большинстве своем являются паразитами. При плохом исходе эти бактерии, по крайней мере, препятствуют размножению таких грибов на теле погибших насекомых (Lukasik et al., 2013).

Еще один пример – ​антагонистические взаимоотношения, которые существуют между бактериями, живущими на кутикуле муравьев, и паразитическими грибами-­аскомицетами, заражающими этих насекомых через покровы. В экспериментах удаление бактериальных биопленок с кутикулы муравьев с помощью антибиотиков повышало восприимчивость насекомых к таким грибам (Masotto et al., 2012).

Но в некоторых случаях события развиваются по другому сценарию. При болезни, в том числе паразитарной, в организме насекомого происходят значительные перестройки в работе иммунной и других систем, сопровождаемые деструктивными изменениями в тканях, что может спровоцировать активное размножение некоторых микробов-­симбионтов. Оказываясь в несвой­ственных им органах и тканях, многие в норме безвредные микроорганизмы, относящиеся к так называемой оппортунистической (условно-­патогенной) микрофлоре, сами становятся болезнетворными. И это влияет на развитие паразитоза.

Вощинная огневка, или большая восковая моль (Galleria mellonella), считается вредителем, при этом она обычно поселяется в уже брошенных ульях. Гусеницы этой бабочки являются популярным модельным объектом для изучения инфекционных болезней. Личинки активны в широком (19–42 °C) диапазоне температур, однако их температурный оптимум составляет 37 °C, что близко к температуре человеческого тела. Такие свой­ства позволяют моделировать на вощинной огневке развитие не только паразитарных болезней насекомых, но и различных бактериальных и грибных инфекций человека, вызванных такими патогенами, как сальмонеллы, клостридии, грибы рода кандида и др. Этих насекомых относительно просто массово разводить, чтобы манипулировать с ними в условиях лаборатории

Так, когда широко распространенные паразитические грибы рода Beauveria проникают через кутикулу в полость тела малярийных комаров Anopheles stephensi, это приводит к ослаблению кишечного иммунитета насекомых. Из-за снижения продукции активированных кислородных метаболитов и антимикробных белков в кишечнике у комаров возникает дисбактериоз, сопровождаемый всплеском численности энтеробактерий рода Serratia. Бактерии проникают из кишечника в полость тела хозяина, что ускоряет развитие микоза и приводит комара к быстрой гибели (Wei et al., 2017).

Сходную картину при заражении этим грибом можно наблюдать у рыжего соснового лубоеда (Dendroctonus valens), опасного вредителя хвой­ных, нападающего на ослабленные деревья. Проникающий через покровы гриб провоцирует в кишечнике личинок этого жука ускоренное размножение бактерий эрвиний. Опыты по скармливанию этих бактерий «стерильным» личинкам показали, что их восприимчивость к паразитическому грибу при этом возрастает (Xu et al., 2019). Аналогичные явления отмечены и в системе «непарный шелкопряд – ​кишечные симбионты – ​грибы Beauveria» (Bay et al., 2023).

Среди паразитических организмов отдельно выделяют паразитоидов, которые используют особую стратегию. Паразитоид в конечном итоге хоть и медленно, но всегда убивает своего хозяина, тогда как истинному паразиту такая смерть невыгодна

В последние годы появляются данные, что паразит может управлять микробиотой организма хозяина, чтобы предотвратить развитие оппортунистической микрофлоры. В его интересах, чтобы жертва как можно дольше оставалась живой и он мог успешно закончить свое развитие. А так как скорость размножения бактерий, составляющих основу микробиоты, значительно выше, чем тех же паразитических грибов или паразитоидов, то последним необходимо ­каким-то образом препятствовать росту численности микробов и их проникновению в полость тела хозяина. Этого можно достичь либо с помощью синтеза метаболитов, непосредственно подавляющих рост бактерий, либо путем модификации иммунитета хозяина (Fan et al., 2017; Wang et al., 2023).

«Живые консервы» для ос-наездников

Долгое время считалось, что управлять иммунитетом зараженного насекомого могут только эндопаразитоиды, личинки которых живут внутри тела хозяина и непосредственно контактируют с его иммунной системой. Что касается эктопаразитоидов, развивающихся на покровах, то они в этом смысле изучены значительно слабее.

Уже упомянутые паразитические осы-наездники отличаются тем, что развитие их личинок может происходить как внутри, так и на поверхности их прокормителя. При этом наездники способны манипулировать иммунитетом хозяина с помощью метаболитов, производимых либо самими взрослыми особями или личинками, либо их симбиотическими вирусами.

В семейство паразитических наездников Braconidae входит около 21 тыс. видов, среди которых есть экто- и эндопаразиты. Большинство представителей браконид считаются полезными, так как они паразитируют на насекомых, являющихся вредителями сельского и лесного хозяйства, и их часто используют для биологической борьбы с ними.
Взрослая особь паразитоидной миниатюрной (2,5 мм) осы-наездника Habrobracon hebetor живет в среднем до 20 дней. Самка, которая питается нектаром и гемолимфой насекомых, может отложить до 18 яиц в сутки. Хозяевами для личинок этого паразитоида являются чешуекрылые (преимущественно огневки), при этом самка способна обнаружить потенциальную жертву на расстоянии до полукилометра. Этот энтомофаг широко применяется для защиты культур открытого и закрытого грунта, а также в хранилищах зерна, сухо­фруктов и т. д. Считается, что для эффективной борьбы со многими видами вредителей достаточно выпустить на 1 га посевов 700–2000 взрослых особей H. hebetor

Вирусы, которые попадают в организм жертвы при откладке яиц, производят белки, воздействующие на иммунитет и физиологию хозяина, что значительно облегчает существование личинок паразитоидов. К такой стратегии прибегают преимущественно эндопаразитоиды.

Осы-эктопаразитоиды полагаются на другое оружие – ​яд, который вырабатывают и накапливают в специальных железах самки этих паразитических перепончатокрылых. С помощью яда они лишь парализуют свою жертву, но не убивают – ​так самка готовит для своего потомства своеобразные «живые консервы».

Компоненты яда способны менять многие физиологические процессы хозяина, в результате чего развитие жертвы останавливается, его иммунная система подавляется, а метаболизм синхронизируется с развитием личинок паразитоида. Однако подавление иммунитета может создать благоприятные условия для всплеска численности условно-­патогенной микрофлоры. В этом случае финал у истории будет другой: хозяина настигнет преждевременная гибель, а вместе с ним умрет и будущее поколение паразита.

Габробракон – ​великий манипулятор

Чтобы оценить реакцию иммунитета насекомых на эктопаразитоидов, специалисты из новосибирского Института систематики и экологии животных СО РАН провели эксперименты на модели, которая включала паразитическую осу-наездника габробракон хебетор (Habrobracon hebetor), ее хозяина – ​вощинную огневку, или большую восковую моль (Galleria mellonella), и его симбиотическую микробиоту, а также различные виды энтомопатогенных грибов.

Самка габробракона сначала вводит своим жертвам (в данном случае – ​личинкам огневки) яд, а затем прикрепляет на них яйца, из которых выведутся личинки паразитоида. Последние питаются на поверхности тела личинок огневки, прогрызая кутикулу и высасывая их гемолимфу – ​заменитель крови и лимфы, циркулирующий в полости тела насекомого. Важно, что жертвы до конца своих дней остаются обездвиженными, но живыми. Оса же, как правило, заготавливает намного больше таких «консервов», чем требуется для откладки яиц.

Наблюдения показали, что парализованные личинки огневки редко погибают от спонтанных бактериозов, хотя после инфицирования у них происходит мощная вспышка размножения представителей их собственной микробиоты: энтеробактерий в кишечнике и энтерококков на кутикуле. Однако признаки бактериальной инфекции, свидетельствующие о попадании бактерий в полость тела, у них проявляются редко (Polenogova et al., 2019; Kryukov et al., 2022).

При этом у парализованных личинок огневки очень резко (в 5–500 тыс. раз!) повышается восприимчивость к паразитическим грибам родов Beauveria и Metarhizium. А вот к заражению менее опасными, условно-­патогенными грибами (родов Aspergillus, Fusarium, Penicillium и др.) они оказываются невосприимчивы (Kryukov et al., 2013, 2017, 2022).

Почему же парализованные личинки остаются устойчивыми к условным патогенам, но становятся очень восприимчивыми к более специализированным?

Оказывается, все дело в хорошей работе иммунитета в их кутикуле и кишечнике. Об этом можно судить, в частности, по увеличению синтеза антимикробных пептидов – ​соединений, нарушающих целостность клеточной стенки микроорганизмов (Polenogova et al., 2019; Косман и др., неопуб. данные). Эти иммунные реакции могут эффективно препятствовать проникновению бактерий и других условных патогенов в полость тела хозяина, что не позволяет тому погибнуть прежде, чем паразитоид закончит свое развитие.

Что касается более специализированных патогенов – ​грибов Beauveria и Metarhizium, то они умеют гораздо лучше справляться с иммунным отпором жертвы. К тому же под действием яда изменяется липидный состав кутикулы, снижается скорость циркуляции гемолимфы и адгезивная способность гемоцитов (Kryukov et al., 2018, 2022). Все это облегчает паразитическим грибам, способным усваивать специфические компоненты кутикулы насекомых, проникновение в тело личинки огневки.

Пока трудно сказать, чем именно стимулируется подъем иммунных реакций у парализованных личинок огневки: быстрым размножением собственной микробиоты или воздействием компонентов яда паразитоида. Независимо от причины мы видим, что обездвиженная жертва не просто служит источником пропитания для личинок ос, но и активно реагирует на размножение потенциально опасных микроорганизмов. Очевидно, что в данном случае иммунитет хозяина работает на пользу паразитоида либо специализированных грибов, давая им возможность пройти полный цикл развития с использованием ресурсов жертвы.

Колорадский жук – ​прокормитель грибов-­паразитов

В другой серии экспериментов использовалась модель, которая включала личинок колорадского жука, его бактериальных сожителей, а также энтомопаразитические грибы Beauveria и Metarhizium.

Для подавления реакций иммунитета у личинок в качестве иммуносупрессантов использовали авермектины – ​метаболиты почвенных актинобактерий Streptomyces avermitilis, или эндотоксины тюрингской бациллы (Bacillus thuringiensis). Как известно, авермектины широко применяются в качестве инсектицидов. Помимо нейротоксического действия они подавляют клеточный иммунитет, вызывают нарушения пищеварения и общее угнетение организма насекомого. Что касается эндотоксинов B. thuringiensis, то они повреждают эпителий кишечника, способствуя проникновению бактерий в полость тела.

После экспериментального заражения личинок жука умеренными дозами спор паразитических грибов микоз развивался по «классическому» сценарию: личинки погибали начиная с 6–7‑х суток после заражения. При этом нити-гифы, составляющие вегетативное тело гриба, полностью заполняли полость тела личинок, образуя своего рода «грибницу», которая затем давала обильное спороношение на их покровах.

В ответ на заражение у организма хозяина на определенных этапах индуцировались такие иммунные реакции, как повышение общего числа гемоцитов и увеличение синтеза ферментов, связанных с инактивацией токсичных метаболитов. Также было отмечено усиление активности генов иммуносигнальных путей, в частности Toll (работает против грибов и грамположительных бактерий), IMD (преимущественно против грамотрицательных бактерий) и Jak-­Stat (против вирусов, а также грибов и бактерий).

Однако когда эти реакции иммунитета были подавлены с помощью уже упомянутых иммуносупрессантов, то основная часть насекомых погибала намного раньше, причем с симптомами не микоза, а бактериального распада (Kryukov et al., 2009; Tomilova et al., 2016; Yaroslavtseva et al., 2017).

Одна из причин такого исхода в том, что при прорастании грибов через кутикулу находящиеся там бактерии забрасываются непосредственно в полость тела личинок (Vey, Fargues, 1977). А поскольку бактерии размножаются быстрее грибов, то в случае гибели хозяина от бактериального заражения последние остаются в проигрыше. Так что иммунные реакции жертвы при «классическом» микозе, останавливающие бактериальную атаку, просто необходимы паразитам для нормального развития и завершения жизненного цикла.

Похожая картина на этой модели наблюдалась и при использовании чрезмерно высоких концентраций спор энтомопатогенных грибов – ​в этом случае личинки жука также погибали с симптомами бактериальной инфекции в течение 3–5 суток после заражения.

При этом отмечались обширные деформации и повреждения кутикулы, резкое ослабление организма хозяина, снижение активности генов иммуносигнальных путей IMD и Jak-­Stat. На этом фоне стремительно увеличивалась численность бактерий на покровах насекомого, а также в гемолимфе, что свидетельствует о проникновении бактерий в полость тела. При отсутствии выраженных иммунных реакций бактерии получали преимущество, что приводило к смерти хозяина и разложению его тканей. Так что и при этом сценарии паразитические грибы не могли завершить свой жизненный цикл (Kryukov et al., 2024).

С этими результатами хорошо согласуются данные других авторов, полученные в последние годы. К примеру, установлено, что после заражения гусениц хлопковой совки (Helicoverpa armigera) грибом Metarhizium rileyi условно-­патогенные бактерии из кишечника мигрируют в полость тела, где активно конкурируют с грибом за пищевые ресурсы хозяина (Wang et al., 2023). Однако при этом у гусениц начинается активный синтез антибактериальных пептидов. Этот факт авторы связывают с вызванным грибом изменением гормональной регуляции, а также с тем, что в ответ на вторжение грибных и бактериальных патогенов вовлечен ряд общих рецепторов иммуносигнальных путей.

В целом полученные результаты говорят о том, что для «классического» сценария микоза дозы заражения должны быть умеренными, чтобы полностью задействовать иммунные реакции хозяина. Только в этом случае развитие паразита во вредителе пройдет успешно. Однако при использовании парази­тических грибов в качестве биоинсектицидов для уничтожения вредителей в сжатые сроки необходимо применять иммуносупрессоры. Это позволит изменить ход патологического процесса в сторону комбинированной (сочетанной) инфекции, вызывающей скорую гибель.

Таким образом, эксперименты на модельных системах наглядно показывают, что у насекомых взаимодействия между их микробными сообществами и паразитами могут быть как антагонистическими (когда симбионтные микробы усиливают устойчивость хозяев к паразитам), так и синергистическими (когда эти микробы вовлекаются в процесс патогенеза).

В последнем случае эти микроорганизмы оказываются в несвой­ственных им тканях организма насекомого, что осложняет течение паразитарной инфекции или даже меняет ее сценарий. При внезапном развитии бактериальной инфекции может погибнуть и хозяин, и паразит.

Однако насекомые, зараженные паразитическими грибами или паразитоидами, часто способны к активному иммунному ответу, который помогает избежать чрезмерного размножения бактерий и последующего разрушения органов и тканей хозяина. В этом случае иммунитет последнего, несомнен­но, работает в пользу паразитов, позволяя им успешно воспроизвести потомство.

Различные подходы к манипуляции иммунитетом насекомых – ​в сторону развития основного паразита либо оппортунистических инфекций – ​могут найти применение в биологическом контроле экономически значимых видов вредителей.

Литература

Глупов В. В., Слепнева И. А. Оборону держат насекомые // НАУКА из первых рук. 2008. № 3 (21). С. 14–29.

Boucias D. G., Zhou Y., Huang S. et al. Microbiota in insect fungal pathology // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2018. V. 102 (14). P. 5873–5888.

Engel P., Moran N. A. The gut microbiota of insects – diversity in structure and function // FEMS Microbiol Rev. 2013. V. 37 (5). P. 699–735.

Kaltenpoth M., Engl T. Defensive microbial symbionts in Hymenoptera // Funct Ecol. 2014. V. 28. P. 315–327.

Stevens E. J., Bates K. A., King K. C. Host microbiota can facilitate pathogen infection // PLoS Pathog. 2021. V. 17 (5). P. e1009514.

Wang J. L., Sun J., Song Y. J. et al. An entomopathogenic fungus exploits its host humoral antibacterial immunity to minimize bacterial competition in the hemolymph // Microbiome. 2023. V. 11. P. 116.

Работа поддержана РНФ (проекты № 22-14-00309 и 23-24-00259)