Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Основными объектами нашего проекта являются экономически важнейшие вредители лесов России – непарный и сибирский шелкопряды. В условиях глобального изменения климата, серьезную опасность представляет смещение очагов размножения этих насекомых в северном направлении. Как следствие, мы получаем новые вспышки массового размножения насекомых в местах, где они ранее вообще не наблюдались. Кроме того, при освоении новых мест обитания, насекомые могут начать повреждать, ранее не характерные для себя виды растений. Совокупность данных событий может в значительной степени повлиять на скорость гибели поэтому, крайне важно изучить адаптивные возможности наиболее значимых насекомых вредителей. Первый год выполнения проекта был сосредоточен на установлении северных границ ареала непарного шелкопряда и скорости его продвижения на север. Результат превзошел наши ожидания: менее чем за 10 лет, граница обитания данного вредителя продвинулась на 300 км в северном направлении! При этом, оценивая запас насекомых в изученных крайних серверных локациях, становится очевидным, что северная граница ареала проходит значительно дальше на север. Другим многообещающим результатом, стало обнаружение нового штамма вируса, поражающего сибирского шелкопряда. Во время предварительного биотестирования, уровень смертности гусениц превышал 90%, при дозировках, существенно ниже используемых для бакуловирусных препаратов в биоконтроле. В настоящий момент проводится его структурная и молекулярная характеристика. Были собраны и проанализированы листья березы повислой – наиболее часто повреждаемого растения непарным шелкопрядом в условиях Западной Сибири. Одной из целей этого эксперимента было выявить расстояние, значимое для популяционных изменений в химическом составе листьев деревьев. Другой задачей являлось установить изменения в содержании наиболее важных химических веществ, защищающих листья от насекомых. Среди них – агликоны флавоноидов и тридерпеноиды с различными типами остовов. Нам удалось обнаружить, что содержание агликонов флавоноидов линейно снижается при продвижении на север. Это говорит об уязвимости деревьев для весенне-летнего комплекса насекомых. Кроме того, были проанализированы фенологические особенности северных популяций непарного шелкопряда. Мы обнаружили, что фактическая сумма эффективных температур, необходимая для ключевых стадий развития насекомых (весенний выход гусениц из яйцекладок, начало лета бабочек) существенно ниже, чем до этого указывалась в литературе. Различия между полученными данными и литературными источниками превысили 100 градусодней. Это может быть обусловлено как более высокой скоростью развития непарного шелкопряда в северной части ареала, так и снижением температурных порогов развития, что будет установлено в ходе дальнейшей реализации проекта. Таким образом, уже в ходе первого года реализации данного проекта было получено несколько принципиальных результатов, которые могут быть важным открытием и послужить фундаментальным базисом для развития отдельных направлений.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследования 2021 года позволили оценить риски адаптации непарного шелкопряда (Lymantria dispar) к северным регионам, включая адаптацию к хвойным породам и оценку влияния теплообеспеченности. Нами было показано, что данный вредитель, независимо от географического происхождения популяций, обладает сильными адаптивными свойствами, позволяющими ему переходить на хвойные виды растений даже в течение первой генерации. То есть, распространение непарного шелкопряда представляет опасность не только для лиственных лесов, но и хвойных насаждений бореальной тайги. Более того, при определении актуальной северной границы ареала данного вредителя мы обнаружили, что текущая скорость экспансии непарного шелкопряда на север – это 40-50 км в год, а актуальная на 2021 год северная граница отмечается выше параллели Ханты-Мансийска. Анализ температурных условий также показал, что высокая пластичность позволяет непарному шелкопряду осваивать новые регионы в северном направлении. Эта пластичность обеспечивается как за счёт естественного отбора и снижения пороговых температур развития, так и за счёт эпигенетических механизмов, позволяющих корректировать эти пороги. Закрепление данного вида в районах с низкой теплообеспеченностью вегетационного сезона, по всей видимости, происходит в основном за счёт снижения нижнего температурного порога развития. Кроме того, поведенческая адаптация данного вида позволяет существенно избегать экстремальных температур зимовки. Результаты исследований по химическому анализу березы повислой в широтном градиенте показали отсутствие выраженной химической защиты у берез северных популяций, по сравнению с южными популяциями растений, где регулярно отмечаются вспышки размножения шелкопряда. В нашем случае, это низкое содержание тритерпеноидов в листьях, играющих важную роль в защите дерева от повреждения непарным шелкопрядом. Таким образом сереные популяции деревьев в настоящее время не имеют преимуществ по сравнению с деревьями лесостепной зоны в отношении химической защиты от фитофагов. Поиск перспективных патогенов против вредителей лесных насаждений увенчался успехом. Из сибирского шелкопряда был выделен новый штамм вируса, охарактеризованный нами, с помощью просвечивающей электронной микроскопии и РНК секвенирования, как представитель циповирусов насекомых (семейство Reoviridae, род Cypovirus). При изучении вирулентных свойств данного вируса была выявлена его достаточно высокая агрессивность: 50 полиэдров достаточно чтобы убить 50% популяции гусениц 2 возраста на 12 сутки. Продуктивность данного вируса исчисляется сотнями миллионов полиэдров/гусеницу, при условии, что поражается только кишечник насекомого. Таким образом, в одном погибшем насекомом содержится количество вируса достаточное для уничтожения миллиона других гусениц, что делает его чрезвычайно привлекательным для контроля численности насекомых. В связи с этим, многие биологические свойства этого штамма будут изучаться в рамках других дополнительных проектов, которые в 2021 году получили поддержку. В результате секвенирования и сборки геномных библиотек сибирского шелкопряда (D.sibiricus) нам удалось получить сборку генома до уровня хромосом размером 611,5 Мб, содержащую 32 основных контига (N50=21,6 Мб) и имеющую высокие показатели качества (99% полноразмерных генов BUSCO). Исследуемый геном имел высокий уровень синтении с геномом близкородственного вида D. punctatus (30 хромосом), за исключением дополнительной последовательности W-хромосомы. В составе последней нами обнаружены следы интеграции генома Wolbachia, что предполагает необычный механизм формирования системы определения пола (и W хромосомы) у Dendrolimus с участием этого эндосимбионта. Используя комбинацию двух подходов секвенирования транскриптома, мы выполнили первичную аннотацию генов в полученном геноме. По результатам проекта был сделан доклад на Американском Съезде Энтомологов, опубликована одна статья и в настоящее время сданы либо фактически подготовлены к сдаче в редакцию первоквартильных журналов 4 статьи.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетном периоде были закончены работы по химическому анализу лиственницы сибирской и сосны обыкновенной. Анализ лиственницы в широтном градиенте показал, что южные популяции содержат повышенную концентрацию циклических дитерпенов, в то время как у северных популяций происходит их снижение. Анализ общего количества жирных кислот в хвое лиственницы выявил, что южные популяции имеет самую низкую концентрацию этих соединений. Возможно, их обилие в иглах северных популяций лиственницы вносит вклад в формирование конститутивной энтоморезистентности. Анализ вторичных метаболитов сосны обыкновенной, в молодой и взрослой хвое, показал количественные (но не качественные) различия. Содержание жирных кислот (насыщенных, ненасыщенных, ω-гидроксизамещенных) во взрослой (двухлетней) хвое было в 3 раза выше, чем в хвое первого года, распускаемой в мае. Кроме того, содержание бициклических дитерпеновых соединений, с лабдановым остовом, и ациклических дитерпенов во взрослой хвое было выше в 3 и 2 раза соответственно, по сравнению с молодой хвоей. Таким образом, жирные кислоты и дитерпеноиды могут выступать одним из фитохимических факторов резистентности сосны против непарного шелкопряда. Вероятно, именно эти соединения вносят вклад в низкую эффективность питания при выращивании гусениц на иглах сосны. Фенология распускания игл сосны в зависимости от теплообеспеченности региона может непрямым путем влиять на скорость адаптации шелкопряда к питанию данным видом. Для фактической оценки пригодности изучаемых видов растений для питания непарного шелкопряда было исследовано потомство двух популяций, «родители» которого питались разными кормовыми растениями: березой, лиственницей и сосной. В результате нам удалось наглядно продемонстрировать, что дочернее поколение вредителя в полной мере сохраняет способность к питанию и формированию потомства даже на изначально неблагоприятных видах хвойных растений. Питание хвойными видами не приводило к снижению большинства показателей жизнеспособности дочернего поколения. Это говорит о том, что вредитель способен достаточно быстро (в пределах нескольких поколений) адаптироваться к смене кормовой базы с лиственной на хвойную. В тоже время, более детальное изучение оценки балансового уравнения питания, показало, что самая низкая эффективность питания ожидаемо приходится на сосну. При анализе зависимости эффективности питания и плодовитости насекомых, полученная регриссионная зависимость (R2=0.6) свидетельствует о слабой перспективе достижения эруптивной фазы для популяции, выращенной на сосне, ввиду меньшей плодовитости. Другими словами, при переходе на жесткую «хвойную диету», данный вредитель какое-то время не сможет формировать вспышки массового размножения. Нами получена финальная диплоидная сборка генома одной особи сибирского шелкопряда, представленная полноразмерными последовательностями хромосом "от теломеры до теломеры", построена аннотация генов на основе серии экспериментальных данных RNA-seq. По экспериментальным данным были идентифицированы последовательности половых хромосом Z и W. Специфичная для самок хромосома W единственная, которая представлена в сборке фрагментарно ввиду крупных недавних дупликаций и исключительной насыщенности повторами, однако в настоящее время опубликованные геномы чешуекрылых (в том числе геном модельного вида Bombyx mori) в принципе редко содержат последовательности W хромосом, в том числе из-за сложности сборки и выбора гомогаметных самцов для секвенирования. Такие структурные особенности W-хромосомы сибирского шелкопряда, как отсутствие существенной гомологии с другими хромосомами в собственном геноме и с геномом родственного вида, близкая к абсолютной насыщенность геномными повторами, в том числе и хромосомоспецифичными вариантами, указывает в пользу ее недавнего неканонического возникновения по механизму, аналогичному формированию добавочных B-хромосом. Для выявления различий одногодичного и двухгодичного цикла развития сибирского шелкопряда (Dendrolimus sibiricus) был проведен анализ различия экспрессии генов. В результате было выявлено 170 генов-кандидатов, возможно связанных с регуляцией жизненного цикла сибирского шелкопряда. Среди них только три имеют функциональное описание в базах данных белков. Это белки семейства экспансинов, интегринов и LIX1 (Limb expression 1). Обращает на себя внимание ген из семейства Lix1, который отвечает за эмбриональное развитие конечностей у животных. Он был идентифицирован при скрининге генов, экспрессирующихся во время эмбрионального развития куриц (Swindell et al. 2001). Однако этот ген высококонсервативативен и имеет гомологи у насекомых (Bando et al. 2011). Поэтому, можно предположить, что этот ген может вносить вклад в различия скорости развития гусениц сибирского шелкопряда. При дальнейшем изучении фенологических различий в онтогенезе данного вида необходимо обратить внимание на фукционирование данных генов, а также выявленных генов с неописанными функциями. Тестирование открытого штамма циповируса-1 сибирского шелкопряда на пчелах (как представителя наиболее чувствительной нецелевой фауны) не выявило значимого воздействия вируса на смертность рабочих медоносной пчелы при пероральном инфицировании, на протяжении 8 суток эксперимента. Тем не менее, в последующих исследованиях данного вируса, чтобы окончательно убедится в отсутствии патогенеза у нецелевых объектов, мы планируем разработать чувствительную молекулярную тест-систему для патогенеза циповируса-1, т.к. по нашим наблюдениям не во всех, даже восприимчивых видах, можно наблюдать полиэдры в световом микроскопе. Таким образом, на сегодняшний день, выделенный из сибирского шелкопряда, вирус демонстрирует свою эффективность в пределах отряда чешуекрылых, что является отличным потребительским качеством в случае разработки продукта для контроля численности вредителей среди чешуекрылых видов.