Z ćmą o seksie: Chemicy „dogadali się” z motylem zagrażającym lasom sosnowym

Za siedmioma górami i siedmioma lasami ukrywała się głodna bestia. Czy brzmi to jak bajka? W rzeczywistości taka bestia istnieje. Są nią gąsienice motyla nocnego barczatki sosnówki (Dendrolimus pini, L.), które żywią się igłami sosny, powodując silne osłabienie drzew a w niektórych przypadkach - ich zamieranie. Z drugiej strony słowa miłości pomiędzy motylami barczatki mogą być kluczem do zapobiegania wybuchom niszczycielskiego obżarstwa – w przypadku gąsienic rzeczonego motyla. Monitorowanie populacji tych szkodników, a w przyszłości także jej kontrolowanie, staje się możliwe dzięki ciężkiej pracy zespołu naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) kierowanych przez Prof. Rafała Szmigielskiego we współpracy z Instytutem Badawczym Leśnictwa. Rozszyfrowano tu chemiczne hieroglify języka, za pomocą którego samice barczatek przywabiają samce, znajdując sposób, jak poradzić sobie z żarłoczną bestią i uratować sosnowe lasy. Przyjrzyjmy się bliżej ich odkryciu.

Żarłoczne gąsienice motyla barczatki sosnówki (Dendrolimus pini, L.) są zdolne znacząco osłabić a nawet zniszczyć dziesiątki tysięcy hektarów lasu. Mimo braku ekologicznych środków do skutecznej walki z tym owadem, z sosnami nie przyjdzie nam się żegnać. Drogę ku skutecznej ochronie przed barczatką znaleźli naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN). Rozszyfrowali oni chemiczne „słowa miłości”, za pomocą których samice barczatki przyciągają samce. Nowy preparat oparty m.in. na składnikach feromonu płciowego żarłocznego owada opracowany przez naukowców z IChF PAN może być skutecznym narzędziem do monitorowania, a w dalszej perspektywie – także do kontroli liczebności barczatki w naszych lasach.

Barczatka sosnówka Dendrolimus pini, ćma o krępej budowie i szaro-brązowym wybarwieniu, to jeden z największych nocnych motyli w Polsce. Po zimowaniu w ściółce gąsienice tego motyla wspinają się do koron sosen, gdzie intensywnie pożerają igły. Ponieważ na jednym drzewie może żerować nawet kilkaset wiecznie głodnych gąsienic, gwałtowny wzrost populacji barczatki może prowadzić do  osłabienia znacznych połaci lasu. Wobec braku ekologicznych i wydajnych środków do zwalczania barczatki, kluczowego znaczenia nabiera informacja o zmianach w liczebności jej populacji. Jednak w pułapki z syntetycznymi feromonami, stosowane dotychczas przez leśników do przywabiania samców, łapało się stosunkowo niewiele owadów. W ramach projektu realizowanego przez naukowców z IChF PAN we współpracy z Instytutem Badawczym Leśnictwa (IBL) podjęto się opracowania nowego i znacznie efektywniejszego odpowiednika feromonu płciowego barczatki sosnówki Taki preparat mógłby służyć nie tylko do monitorowania, ale też w przyszłości - do kontrolowania populacji tych motyli w danym terenie.

Badania nad chemicznym językiem miłości barczatki sosnówki od początku okazały się trudniejsze, niż naukowcy zakładali – i to z zupełnie zaskakujących powodów. Badania rozpoczęto od identyfikacji składników feromonów wydzielanych przez młode samice barczatki sosnówki. W celu opracowania preparatu wabiącego zalotne samce pod lupę wzięto wszystkie związki chemiczne, będące składnikami feromonu seksualnego. Co ciekawe, oprócz znanych wcześniej związków chemicznych, w wydzielanych „perfumach feromonowych” wykazano obecność innych składników, w tym – związków pochodzących z igieł drzew macierzystych oraz nieznanych wcześniej związków organicznych, które znacząco wpływały na zachowanie  samców tego motyla. Wychwycone mieszaniny substancji rozdzielano chromatograficznie na pojedyncze składniki i poddawano szczegółowej analizie chemicznej z użyciem m.in. tandemowej spektrometrii mas. Porównanie struktur zidentyfikowanych cząsteczek wydzielanego feromonu seksualnego barczatki ze składem preparatu dostępnego na rynku umocniło badaczy w przekonaniu, że jedną z istotniejszych przyczyn słabej reakcji barczatek na syntetyczny feromon był jego uproszczony skład chemiczny w porównaniu z naturalnym feromonem płciowym owada, w tym brak jego kluczowych bioaktywnych komponentów.

Na podstawie wyników własnych analiz, chemicy z IChF PAN zaprojektowali nowe kompozycje  mieszanin feromonowych, które poddano licznym testom z użyciem nowoczesnych technik bioanalitycznych w laboratorium, w tym – tunelu wiatrowego, olfaktometrii oraz elektroantenografii a następnie we współpracy z naukowcami z IBL – w badaniach terenowych. Dla przykładu, samce motyla barczatki umieszczano w tunelu powietrznym eksponując je na określone związki chemiczne lub ich mieszaniny imitujące zapach wydzielany przez samice, co pozwoliło sprawdzić atrakcyjność tych związków dla samców barczatki. Naukowcy wzięli pod lupę niektóre składniki odkrytego feromonu, np. (Z5)-dodekanal, oznaczany skrótem (Z5)-12:Ald, które zwiększały atrakcyjność opracowanej kompozycji wabiącej motyle barczatki.

„Naszym celem było zidentyfikowanie wszystkich substancji w feromonach wydzielanych przez barczatkę i stworzenie unikalnej receptury pozwalającej na odwrócenie uwagi samców barczatki os samic. A wszystko po to, aby ochronić lasy sosnowe przed obżarstwem ich potomstwa - gąsienic barczatki” – twierdzi Prof. Rafał Szmigielski

„Zidentyfikowaną przez nas i opatentowaną mieszaninę związków chemicznych można – naturalnie z odpowiednią umownością – potraktować jako pewne słowa o nietrywialnej budowie, wypowiedziane w chemicznym języku barczatek. Główny akcent jest tu położony na dwie 'głoski', z których jedną ludzie wymawiają inaczej niż drugą. Żeby to chemiczne "'I love you” wybrzmiało naprawdę przekonująco, potrzeba jeszcze innych dodatkowych słów, zwiększających nośność głównego przekazu, czyli związków pochodzenia roślinnego" - wyjaśnia Prof. Rafał Szmigielski.

Wcześniejsze środki dostępne na rynku przywabiały do pułapek feromonowych nie więcej niż kilka-kilkanaście samców barczatki sosnówki na jedną pułapkę w okresie kilku tygodni. Tymczasem chemiczne nawoływanie za pomocą mieszaniny substancji opracowanej przez grupę z IChF PAN i IBL zwiększyło tę liczbę nawet do 160 samców do jednej pułapki w zaledwie 3-4 dni. Taki skokowy wzrost zainteresowania ze strony owadów leśnicy zgodnie uznali za ogromny sukces, gdyż zwiększa on perspektywy  ochrony lasów sosnowych od apetytu żarłocznych gąsienic tych owadów.

Identyfikacja nowych składników feromonu płciowego emitowanego przez samice ćmy Dendrolimus pini oraz ich korelacja z określonym zachowaniem samca tego motyla to krok naprzód w kierunku skutecznej ochrony lasów sosnowych. Badania naukowców nad stworzeniem syntetycznych feromonów to także coś więcej niż tylko monitorowanie zachowania ćmy. To przede wszystkim praca interdyscyplinarna i zamiłowanie do natury i fascynującego mikroświata.

Niniejsze badania uzyskały dofinansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (nr umowy PBS2/A9/25/2013).

KONTAKT:

dr. inż. Krzysztof Rudziński

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie
                tel.: +48 22 3433402
                email: kjrudz@ichf.edu.pl

dr. inż. Monika Asztemborska

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie
                tel.: +48 22 3433402
                email: masztemborska@ichf.edu.pl

prof. dr hab. inż. Rafał Szmigielski

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie
                tel.: +48 22 3433402
                email: ralf@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ:

Rudziński KJ, Staszek D, Asztemborska M, Sukovata L, Raczko J, Cieślak M, Kolk A, Szmigielski R.

Newly Discovered Components of Dendrolimus pini Sex Pheromone.

Insects. 2022; 13(11):1063

https://doi.org/10.3390/insects13111063