Determination of Apis mellifera L., 1758 winter resistance according to catalase activity in .pdf Введение В Камском Предуралье сложился самый северный ареал естественного распространения медоносных пчел среднерусской породы Apis mellifera mellifera L., 1758. Пчелы, обитающие в условиях Камского Предуралья, особенно на его севере, приобрели целый набор защитных механизмов, способствующих выживанию в условиях продолжительной зимы (до 7 месяцев) и не всегда теплого, довольно короткого лета. Они отличаются высокой продуктивностью, толерантностью к низким температурам, экономным расходованием корма в зимний промежуток времени, однако достаточно ройливы и агрессивны при осмотре [1-4]. Некоторые пчеловоды-любители, ориентируясь на ряд положительных характеристик (миролюбие, более длинный хоботок [5]), завозят на территорию Камского Предуралья еще одну породу пчел - Apis mellifera carnica var ukrainica carpatica (далее Apis m. carpatica) [6]. Карпатская порода пчел сформировалась в условиях южного ареала. Известно, что не все организмы способны успешно приспособиться к новым природно-климатическим условиям [7], поэтому проведение сравнительного анализа физиологических особенностей пчел разных пород на территории Камского Предуралья актуально для развития пчеловодства. Выживание вида Apis mellifera L. в условиях длительного зимнего периода связано в значительной мере с социальной организацией пчелиной семьи. Она позволяет пчелам коллективными усилиями противостоять неблагоприятному воздействию климатических факторов (активная регуляция внутригнездового микроклимата, сбор корма на зиму и т.д.) [8, 9]. Вместе с тем жизнеспособность пчелиной семьи во многом зависит от адаптивных возможностей ее членов [10]. Большое значение имеют адаптации пчел к периоду зимовки, который сопровождается существенной перестройкой образа жизни семьи и физиологическими изменениями организма пчел. Зимостойкими пчелами считаются те, которые в зимний период потребляют незначительное количество корма, устойчивы к различным заболеваниям, а в весенний период отличаются быстрым развитием и увеличением силы семьи. Как правило, зимостойкость пчелиных семей определяется после зимовки по количеству подмора, чистоте гнезд и состоянию семьи. Существуют и косвенные показатели, по которым еще осенью можно оценить зимостойкость пчел. К ним относятся физиологические и биохимические параметры насекомого. Известны способы определения зимостойкости пчел по изменению количества воды в организме [11-13] и температуры максимального переохлаждения [14-17], динамике наполнения заднего отдела кишечника [18-19], накоплению в теле запасных веществ: жира [20-21], белка [22]. Особого внимания заслуживает способ определения зимостойкости пчел по активности каталазы ректальных желез. В течение зимнего периода, для поддержания благоприятного микроклимата внутри улья, медоносные пчелы находятся в относительно активном состоянии. Соответственно, они потребляют запасы меда, а кишечник наполняется непереваренными остатками пищи. Не имея возможности произвести облет в зимний период, пчелы не могут освободить кишечник от экскрементов [18, 23]. Для предотвращения гниения каловых масс у пчел появился специальный физиологический механизм - секретирование каталазы ректальными железами. Роль катала-зы заключается в противостоянии гнилостным процессам в прямой кишке [24-26]. Для определения активности каталазы у пчел М.В. Жеребкин использовал газометрический метод [25], который многие ученые применяют и в настоящее время [27]. Однако сегодня известны более удобные и точные методы определения данного показателя: спектрофотометрический [28], перманганатометрический [29]. Целью настоящего исследования стало определение зимостойкости медоносных пчел среднерусской и карпатской пород по динамике наполнения заднего отдела кишечника (ректума) и активности каталазы ректальных желез в условиях Камского Предуралья. Материалы и методики исследования Исследование выполнено в 2011-2014 гг. на пчелах осенней генерации, зимовка которых проходила в ульях под снегом. Для изучения активности каталазы использовали пробы среднерусских пчел из племенного хозяйства «Нижнесыповское», расположенного в Уинском районе Пермского края, и пробы карпатских пчел с экспериментальной пасеки со сходными природно-климатическими условиями и растительными ресурсами, расположенной в Кунгурском районе. Породная принадлежность пчел определялась по микрометрическим исследованиям морфометрических параметров [30] с использованием методики компьютерных замеров по указанным координатам [31]. Определение каталазной активности в кишечнике пчел проводили по ти-триметрическому методу А.Н. Баха и А.И. Опарина [32]. Ежемесячно отдельно по каждой из исследуемых пород готовили вытяжки из 20 извлеченных ректумов. Титрование проводили по уравнению 2 KMnO4 + 5 Н202 + 3 H2SO4 = K2SO4 + 2 MnSO4 + 5 O2 + 8 Н20. Активность каталазы выражали в мкмоль пероксида водорода, расщепившегося под действием фермента в расчете на 1 г исследуемого материала (или 1 мг вытяжки из него) за 1 мин. Динамику каловой нагрузки определяли в 2013-2014 гг. по массе заднего отдела кишечника, путем его взвешивания на торсионных весах ВТ-1000 (Россия) [30]. По каждой исследуемой породе ежемесячно учитывали 40 образцов пчел. Статистические анализы стандартных вариационных рядов и построение графика выполнены при помощи пакетов «Microsoft Excel 2007», StatSoft STATISTICA 5.1. Результаты исследования и обсуждение Устойчивость пчел к продолжительному периоду покоя характеризуется биохимическими изменениями в организме, служащими для консервирования каловых масс в ректуме. К подобным изменениям следует отнести активность каталазы. Изучение активности каталазы в кишечнике пчел показало ее изменение на протяжении зимнего периода. Нужно отметить, что все пчелы в семье в период покоя одного биологического возраста и физиологического состояния. На активность каталазы расположение пчел в клубе не влияет. Зимостойкость медоносных пчел в течение зимнего периода заключается в динамике активности каталазы: в снижении параметров от начала зимовки к середине и дальнейшем повышении к концу периода покоя. Однако динамика данного показателя имеет отличия у исследуемых пород (таблица). Активность каталазы ректальных желез у медоносных пчел в период зимовки, мкмоль/мин/мг [Catalase activity of rectal glands (mcmol/min/mg) in honey bees during winter] Месяц [Month] Apis mellifera mellifera L. Apis mellifera carnica var ukrainica carpatica 2011/12 2012/13 2013/14 2012/13 2013/14 M±m V, % M±m V, % M±m V, % M±m V, % M±m V, % Октябрь [October] - - - - 9,64±0,3 1,23 - - 12,22±0,2 3,58 Ноябрь [November] 7,31±1,2 3,48 9,53±0,9 2,35 8,92±0,1 0,39 12,68±0,6 2,16 10,94±0,1 1,52 Декабрь [December] 6,86±0,8 1,62 8,27±0,6 1,64 8,04±0,3 2,52 9,14±0,4 1,67 8,85±0,5 3,80 Январь [January] 5,84±1,8 2,54 4,48±0,3 2,07 5,12±0,4 2,14 5,26±1,5 4,23 5,76±0,2 5,65 Февраль [February] 4,48±1,5 3,06 6,21±0,6 3,12 5,85±0,4 3,84 8,46±0,9 4,71 9,84±0,8 4,05 Март [March] 8,24±2,6 3,28 9,41±1,2 2,06 10,62±0,6 1,44 9,25±1,8 5,46 11,42±0,5 8,34 Апрель [April] - - - - 13,64±0,7 5,08 - - 6,38±0,9 5,29 Примечание. Данные за месяц для каждой породы пчел представлены по 20 извлеченным ректумам; M±m - средняя арифметическая ± ошибка средней; V, % - коэффициент вариации; «-» - данные не определялись. [Note. Monthly data for each breed of bees are presented by 20 extracted rectums; M±m - mean value ± error of mean; V, % - coefficient of variation; - data have not been determined]. Проанализируем представленные наиболее полно данные за период зимовки 2013/14 гг. Высокая активность каталазы регистрируется в начале периода покоя и составляет у среднерусских пчел 9,64±0,3 мкмоль/мин/мг, у карпатских пчел - в 1,2 раза больше (p < 0,01) - 12,22±0,2 мкмоль/мин/мг (таблица). К январю активность каталазы снижается у среднерусских пчел в 1,9 раза и остается стабильной два месяца - январь и февраль, у карпатских пчел она снижается в 2,1 раза, а в феврале снова увеличивается. В январе разница между значениями исследуемого параметра у среднерусских и карпатских пчел несущественна (p > 0,01). К концу периода покоя активность фермента увеличивается у среднерусских пчел в 2,7 раза, у карпатских пчел - в 1,9 раза. Самая высокая активность каталазы у среднерусских пчел отмечена в апреле (13,64±0,7 мкмоль/мин/мг), у карпатских - в марте (11,42±0,5 мкмоль/мин/мг) (p < 0,01). В апреле у карпатских пчел активность каталазы значительно снижается, что свидетельствует о более раннем окончании периода покоя. Данная особенность подтверждает сведения об активизации пчел в семье перед началом выращивания пчелиного расплода. Активизация карпатских пчел происходит раньше, что часто приводит к переполнению ректума и экскреции в улье. Среднерусские пчелы способны дольше находиться в состоянии диапаузы, вырабатывать каталазу в нужных количествах и эффективно ее использовать в процессе зимовки. Активность каталазы пчел карпатской породы имеет отличия от пчел среднерусской породы в связи с разным физиологическим состоянием пчелиных семей, имеющим различную генетическую природу. Активность каталазы за периоды зимовки предыдущих лет (2011-2013 гг.) имеет определенные отличия. У среднерусских пчел снижение активности каталазы к середине зимовки 2011/12 гг. происходит медленней; в марте активность ниже, чем в аналогичные периоды 2013-2014 гг. В 2012-2013 гг. у среднерусских пчел активность каталазы в конце зимовки начинает увеличиваться раньше - в феврале; у карпатских пчел показатель значительно выше в начале зимовки, чем в аналогичные периоды 2013-2014 гг. Однако для всех изученных периодов зимовки характерна схожая динамика активности каталазы. Сравнивая полученные результаты с данными других авторов, изучавших активность каталазы у пчел в регионах, расположенных рядом с Камским Предуральем, можно отметить сходства и отличия значений изучаемого параметра. В работе А.З. Брандорф и М.М. Ивойловой [33] показано, что у среднерусских пчел Кировской области активность каталазы увеличилась от осени (сентябрь) к весне (март) в 2,7 раза. По нашим данным, активность каталазы увеличилась с октября по апрель в 1,4 раза. Авторы не указывают на снижение активности каталазы в первую половину зимовки, а затем ее увеличение. По данным Ф.Г. Юмагужина и А.Б. Сафаргалина [34], у среднерусских пчел (бурзянских бортевых) Республики Башкортостан высокая активность каталазы отмечена в ноябре (7,12 мкмоль/мин/мг), в январе она снижается (3,2 мкмоль/мин/мг), а к февралю увеличивается в 2 раза (7,2 мкмоль/мин/мг). Схожие результаты получены в наших исследованиях, однако минимальные значения активности фермента у бурзянских бортевых пчел отмечены в марте (1,6 мкмоль/мин/мг), что свидетельствует о смене перезимовавших пчел молодыми пчелами весенней генерации. В это время среднерусские пчелы в Камском Предуралье все еще находятся в состоянии репродуктивной диапаузы, а активность каталазы у них сохраняется на высоком уровне до апреля (13,64 мкмоль/мин/мг). Близкие значения отмечены между динамикой активности каталазы у помесных пчел в Республике Башкортостан и карпатских пчел в Камском Предуралье. В ноябре отмечена высокая активность каталазы (у помесных - 13,4 мкмоль/мин/мг, у карпатских - 10,94 мкмоль/мин/мг). К январю она снижается (у помесных -5,68 мкмоль/мин/мг, у карпатских - 5,26 мкмоль/мин/мг), а затем увеличивается. В конце зимовки снижение активности каталазы у помесных пчел в республике Башкортостан происходит в марте (2,7 мкмоль/мин/мг), а у карпатских пчел в Камском Предуралье - в апреле (6,38 мкмоль/мин/мг). Таким образом, ферментативная активность каталазы ректальных желез зависит от продолжительности безоблетного периода и изменяется по регионам. Изучение динамики наполнения ректума за 2013/14 г. показывает, что на начало зимовки масса задней кишки у исследуемых пород существенно не отличается: у среднерусской составляет (16,13±1,77 мг), у карпатской -(17,60±0,88 мг) (t = 2,1; р > 0,05) (рис. 1). С января отмечены статистически значимые отличия в данных значениях: у среднерусской породы - (24,08±1,13 мг), у карпатской - (29,17±2,36 мг) (t = 3,8; р < 0,01), которые в марте достигают своих максимумов: у среднерусской породы - (34,6±1,62 мг), у карпатской - (44,5±1,42 мг) (t = 4,6; р < 0,001). С началом весеннего облета каловая нагрузка идет на убыль. Нужно отметить, что масса ректума по средним показателям у карпатских пчел на протяжении зимнего периода больше на 1-10 мг, чем масса ректума среднерусских пчел. Значительное наполнение ректума у карпатских пчел свидетельствует об их большей активности в зимний период по сравнению со среднерусскими. 50,00 5,00 0,00 Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель [October] [November] [December] [January] [February] [March] [April] Месяц наблюдений ♦ Apis т. mellifera ^pis m carpatica Рис. 1. Масса ректума пчел в период зимовки 2013/14 г [Fig. 1. Rectum weight of bees during the winter of 2013/14. On abscissa axis - Month of observing; on ordinate axis - Rectum weight, mg] По динамике наполнения ректума пчел (рис. 1) можно проследить процесс накопления непереваренных остатков корма в кишечнике; вместе с тем из представленной таблицы видно, что активность каталазы ректальных желез уменьшилась к середине зимовки и увеличилась к концу безоблетного периода. Каловые массы в кишечнике пчелы представляют собой питательную среду для молочнокислых бактерий, которые в процессе разложения сахара образуют перекись водорода. Следовательно, активность фермента в значительной степени зависит от темпов наполнения ректума. К такому же выводу в своей работе пришли А.З. Брандорф и М.М. Ивойлова [35], которые отмечают, что чем больше каловая нагрузка на ректум, тем больше выделяется каталазы. Во второй половине зимовки данный факт подтверждается положительными коэффициентами корреляции между исследуемыми показателями: у среднерусских пчел r = 0,8, р < 0,01; у карпатских пчел r = 0,9, р < 0,01. Однако в первую половину зимовки у исследуемых пород коэффициент корреляции отрицательный (r = -1, р < 0,01). Вероятно, это свидетельствует о наличии уровня допустимого количества перекиси водорода в организме, при достижении которого начинает активно секретироваться каталаза. Таким образом, проведя сравнительный анализ активности каталазы и динамики наполнения ректума у исследуемых пород пчел, можно сделать вывод, что большей зимостойкостью в условиях Камского Предуралья обладают среднерусские пчелы. В конце периода зимовки карпатские пчелы активизируются раньше, что приводит к увеличению темпов наполнения ректума, а недостаточная секреция каталазы ведет к развитию гнилостных процессов. В результате при длительной зимовке у карпатских пчел может произойти экскреция в улье до начала весеннего облета, что негативно отразится на общем состоянии пчелосемьи. Заключение В течение зимнего периода темпы наполнения ректума у карпатских пчел выше, чем у среднерусских. Максимальная нагрузка отмечена в марте: у среднерусских - 34,6±1,62 мг, у карпатских - 44,5±1,42 мг. Активность каталазы в зимний период у пчел в условиях Камского Предуралья имеет определенную динамику: снижение параметров от начала зимовки к середине и повышение к концу периода покоя. В зимний период у карпатских пчел активность каталазы начинает увеличиваться с февраля, а у среднерусских пчел - с марта. В апреле у карпатских пчел активность каталазы значительно снижается, что свидетельствует о более раннем окончании периода покоя. Во вторую половину зимовки между динамикой наполнения ректума и активностью каталазы отмечена положительная взаимосвязь: чем больше в кишечнике каловых масс, тем выше секреция каталазы для нейтрализации образующейся перекиси водорода.

Скачать электронную версию публикации