Щитовки — мелкие насекомые отряда Hemiptera , подотряда Sternorrhyncha . Обладая резко изменчивым внешним видом и выраженным половым диморфизмом , они составляют инфраотряд Coccomorpha , который считается более удобной группой, чем надсемейство Coccoidea из-за таксономической неопределенности. Взрослые самки , как правило, имеют мягкое тело и не имеют конечностей, и скрыты под куполообразными чешуйками, выделяя большое количество воска для защиты. Некоторые виды являются гермафродитами, с объединенным овотестисом вместо отдельных яичников и семенников. Самцы, у видов, где они встречаются, имеют ноги и иногда крылья и напоминают маленьких мух. Щитовки — травоядные , прокалывающие растительные ткани своими ротовыми частями и остающиеся на одном месте, питаясь соком . Избыток жидкости, который они поглощают, выделяется в виде медвяной росы , на которой имеет тенденцию расти сажистая плесень. Насекомые часто имеют мутуалистические отношения с муравьями , которые питаются медвяной росой и защищают их от хищников . Описано около 8000 видов.
Древнейшие окаменелости группы датируются поздней юрой и сохранились в янтаре . Они уже были существенно разнообразны к раннему мелу, что предполагает более раннее происхождение во время триаса или юры . Их ближайшими родственниками являются прыгающие тли , белокрылки , филлоксеры и тли . Большинство самок щитовок остаются на одном месте во взрослом состоянии, а недавно вылупившиеся нимфы, известные как «ползуны», являются единственной подвижной стадией жизни, за исключением короткоживущих самцов. Репродуктивные стратегии многих видов включают по крайней мере некоторое количество бесполого размножения путем партеногенеза .
Некоторые щитовки являются серьезными коммерческими вредителями, в частности, щитовка хлопковая ( Icerya purchasi ) на цитрусовых деревьях; с ними трудно бороться, так как щитовка и восковой покров эффективно защищают их от контактных инсектицидов. Некоторые виды используются для биологической борьбы с вредными растениями, такими как опунция, Opuntia . Другие производят коммерчески ценные вещества, включая красители кармин и кермес , а также шеллачный лак. Два названия красного цвета — малиновый и алый — оба происходят от названий продуктов Kermes на других языках.
Щитковые насекомые сильно различаются по внешнему виду: от очень маленьких организмов (1–2 мм), которые растут под восковыми покровами (некоторые по форме напоминают устриц, другие — раковины мидий), до блестящих жемчужно-подобных объектов (около 5 мм) и животных, покрытых мучнистым воском. Взрослые самки почти всегда неподвижны (за исключением мучнистых червецов ) и постоянно прикреплены к растению, которым они питаются. Они выделяют воскообразное покрытие для защиты, что делает их похожими на чешую рептилий или рыб , и дает им их общее название. [2] Ключевой признак, который отличает Coccomorpha от всех других Hemiptera, — это односегментная цевка на ногах с одним когтем на конце. [3]
Группа чрезвычайно половодиморфна ; самки щитовок, необычные для Hemiptera, сохраняют незрелую внешнюю морфологию даже при достижении половой зрелости, состояние, известное как неотения . Взрослые самки имеют грушевидную, эллиптическую или круглую форму, без крыльев и, как правило, без перетяжки, отделяющей голову от тела. Сегментация тела нечеткая, но может быть указана наличием краевых щетинок. Ноги отсутствуют у самок некоторых семейств, а если присутствуют, то варьируются от односегментных до пятичлениковых конечностей. У самок щитовок нет сложных глаз, но глазки (простые глаза) иногда присутствуют у Margarodidae , Ortheziidae и Phenacoleachiidae . У семейства Beesoniidae отсутствуют антенны , но у других семейств антенны имеют от одного до тринадцати сегментов. Ротовые части приспособлены для прокалывания и сосания. [2]
Взрослые самцы, напротив, имеют типичную голову, грудь и брюшко других групп насекомых и настолько отличаются от самок, что объединение их в один вид является сложной задачей. Обычно это тонкие насекомые, напоминающие тлей или маленьких мух . У них есть усики с девятью или десятью сегментами, сложные глаза (Margarodidae и Ortheziidae) или простые глаза (большинство других семейств) и ноги с пятью сегментами. У большинства видов есть крылья, а у некоторых поколения могут чередоваться между крылатыми и бескрылыми. Взрослые самцы не питаются и умирают в течение двух или трех дней после появления на свет. [2]
У видов с крылатыми самцами, как правило, полностью функциональны только передние крылья. Это необычно для насекомых; это больше всего напоминает ситуацию у настоящих мух , Diptera. Однако Diptera и Hemiptera не являются близкородственными и не очень похожи друг на друга по морфологии ; например, хвостовые нити Coccomorpha не напоминают ничего в морфологии мух. Задние ( заднегрудные ) крылья редуцированы, обычно до такой степени, что их можно легко не заметить. У некоторых видов на задних крыльях есть крючки, которые соединяют задние крылья с основными крыльями, как у Hymenoptera . Рудиментарные крылья часто редуцированы до псевдожужжальца , булавовидных придатков, но они не гомологичны органам управления Diptera, и неясно, имеют ли они какую-либо существенную функцию управления. [4]
Гермафродитизм очень редок у насекомых, но несколько видов Icerya демонстрируют необычную форму. Взрослая особь обладает овотестисом, состоящим из женской и мужской репродуктивной ткани, а сперма передается молодым особям для их будущего использования. Тот факт, что новая популяция может быть основана одной особью, возможно, способствовал успеху щитовки -подушки, которая распространилась по всему миру. [5]
Самки щитовок в более продвинутых семействах развиваются из яйца через первую стадию (ползун) и вторую стадию, прежде чем стать взрослой особью. В более примитивных семействах есть дополнительная стадия. Самцы проходят через первую и вторую стадию, предкуколочную и куколочную стадию до взрослой особи (на самом деле псевдокуколку, так как только у насекомых с полным превращением есть настоящая куколка). [2]
Первые стадии большинства видов щитовок появляются из яйца с функциональными ногами и неофициально называются «ползунами». Они немедленно ползают в поисках подходящего места для поселения и питания. У некоторых видов они откладывают поселение либо до тех пор, пока не начнут голодать, либо пока их не унесет ветром на то, что предположительно является другим растением, где они могут основать новую колонию. Существует множество вариаций на эту тему, например, щитовок, которые связаны с видами муравьев, которые выступают в роли пастухов и переносят молодых особей в защищенные места для кормления. В любом случае, многие такие виды щитовок, когда линяют, теряют возможность использовать свои ноги, если они самки, и остаются на месте на всю жизнь. Только самцы сохраняют ноги, а у некоторых видов крылья и используют их для поиска самок. Для этого они обычно ходят, так как их способность летать ограничена, но их может переносить ветер в новые места. [2]
Взрослые самки семейств Margarodidae, Ortheziidae и Pseudococcidae подвижны и могут перемещаться в другие части растения-хозяина или даже на соседние растения, но период подвижности ограничен коротким периодом между линьками. Некоторые из них зимуют в трещинах коры или среди растительного опада, перемещаясь весной к нежной молодой поросли. Однако большинство самок щитовок ведут малоподвижный образ жизни во взрослом возрасте. Их способность к распространению зависит от того, насколько далеко может проползти гусеница, прежде чем ей понадобится сбросить кожу и начать питаться. Существуют различные стратегии борьбы с лиственными деревьями. На них самцы часто питаются листьями, обычно рядом с жилками, в то время как самки выбирают ветки. Там, где в году сменяется несколько поколений, может наблюдаться общее отступление на ветки по мере приближения осени. На ветвях нижняя сторона обычно предпочтительнее, поскольку обеспечивает защиту от хищников и неблагоприятных погодных условий. Мучнистый червец Solenopsis питается листьями своего хозяина летом и корнями зимой, а большое количество видов щитовок питается корнями незаметно, круглый год. [2]
Щитковые насекомые демонстрируют очень широкий спектр вариаций в генетике определения пола и способах размножения. Помимо полового размножения , используется ряд различных форм репродуктивных систем, включая бесполое размножение путем партеногенеза . У некоторых видов половые и бесполые популяции встречаются в разных местах, и в целом виды с широким географическим ареалом и разнообразием растений-хозяев с большей вероятностью будут бесполыми. Предполагается, что большой размер популяции защищает бесполую популяцию от вымирания, но тем не менее партеногенез нехарактерен для щитковых насекомых, при этом наиболее распространенные универсальные кормильцы размножаются половым путем, большинство из них являются видами-вредителями. [6]
У многих видов есть система XX-XO, где самка диплоидна и гомогаметна, а самец гетерогаметен и лишен половой хромосомы. У некоторых Diaspididae и Pseudococcidae оба пола производятся из оплодотворенных яиц, но во время развития самцы устраняют отцовский геном, и эта система, называемая устранением отцовского генома (PGE), встречается почти у 14 семейств щитовок. Это устранение достигается несколькими вариациями. Самая распространенная (известная как леканоидная система) включает дезактивацию отцовского генома и устранение во время выработки спермы у самцов, это наблюдается у Pseudococcidae, Kerriidae и некоторых Eriococcidae . В другом варианте или системе Comstockiella соматические клетки имеют нетронутый отцовский геном. Третий вариант, обнаруженный у Diaspididae, включает в себя полное удаление отцовского генома на ранней стадии, что делает самцов гаплоидными как в соматических, так и в зародышевых клетках, даже если они образуются из диплоидов, т. е. из оплодотворенных яиц. В дополнение к этому существует также истинная гаплодиплоидия, когда самки рождаются из оплодотворенных яиц, а самцы — из неоплодотворенных яиц. Это наблюдается у рода Icerya . У Parthenolecanium самцы рождаются из неоплодотворенных яиц, но диплоидность на короткое время восстанавливается путем слияния гаплоидных ядер дробления, а затем одна половая хромосома теряется из-за гетерохроматинизации. Самки могут размножаться партеногенетически с шестью различными вариантами, основанными на том, полностью ли отсутствуют самцы или нет (облигатный против факультативного партеногенеза); пола оплодотворенных против неоплодотворенных яиц; и на том, как диплоидия восстанавливается в неоплодотворенных яйцах. Эволюция этих систем, как полагают, является результатом внутригеномного конфликта , а также, возможно, межгеномного конфликта с эндосимбионтами под различными давлениями отбора. Разнообразие систем сделало чешуйчатых насекомых идеальными моделями для исследований. [7]
Щитовки — древняя группа, возникшая в меловом периоде , периоде, когда покрытосеменные стали доминировать среди растений, и только несколько групп видов были обнаружены на голосеменных . Они питаются самыми разными растениями, но не способны долго выживать вдали от своих хозяев. В то время как некоторые специализируются на одном виде растений (монофаги), а некоторые — на одном роде или семействе растений (олигофаги), другие менее специализированы и питаются несколькими группами растений (полифаги). [2] Биолог-паразитолог Роберт Пулен отмечает, что пищевое поведение щитовок очень похоже на поведение эктопаразитов , живущих снаружи своего хозяина и питающихся только им, даже если их традиционно так не описывали; по его мнению, те виды, которые остаются неподвижными на одном хозяине и питаются только им, ведут себя как облигатные эктопаразиты. [8] Например, виды кошенили ограничены кактусовыми хозяевами, а галлообразующие Apiomorpha ограничены эвкалиптом . Некоторые виды имеют определенные требования к среде обитания; некоторые Ortheziidae встречаются на влажных лугах, среди мхов и в лесной почве, а бореальная щитовка-знамя ( Newsteadia floccosa ) обитает в растительной подстилке . [2] Гавайский мучнистый червец Clavicoccus erinaceus , который питался исключительно находящимся сейчас под угрозой исчезновения Abutilon sandwicense, вымер, как и другой вид Phyllococcus oahuensis . [9] Несколько других монофаговых щитовок, особенно обитающих на островах, находятся под угрозой совместного вымирания из-за угроз, с которыми сталкиваются их растения-хозяева. [10]
Большинство щитовок являются травоядными , питающимися соком флоэмы , взятым непосредственно из сосудистой системы растения, но несколько видов питаются грибковыми матами и грибами , например, некоторые виды рода Newsteadia в семействе Ortheziidae. Растительный сок обеспечивает жидкую диету, которая богата сахаром и заменимыми аминокислотами. Чтобы восполнить нехватку незаменимых аминокислот, они зависят от эндосимбиотических протеобактерий. [11] Щитовок выделяют большое количество липкой вязкой жидкости, известной как « медвяная роса ». Она включает в себя сахара, аминокислоты и минералы и привлекательна для муравьев, а также выступает в качестве субстрата , на котором может расти сажистая плесень . Плесень может снизить фотосинтез листьев и ухудшить внешний вид декоративных растений. Деятельность щитовок может привести к стрессу для растения, вызывая снижение роста и делая его более восприимчивым к болезням растений. [12]
Щитовки рода Cryptostigma живут внутри гнезд неотропических видов муравьев. [13] Многим тропическим растениям для выживания нужны муравьи, которые, в свою очередь, разводят щитовок, образуя таким образом трехсторонний симбиоз . [14] Некоторые муравьи и щитовки имеют мутуалистические отношения; муравьи питаются медвяной росой и взамен защищают чешуйки. На тюльпановом дереве муравьи были замечены строящими бумажную палатку над чешуйками. В других случаях щитовки переносятся внутри гнезда муравья; муравей Acropyga exsanguis доводит это до крайности, перенося оплодотворенную самку мучнистого червеца с собой в брачный полет, чтобы гнездо, которое он находит, могло быть снабжено провизией. [2] Это дает мучнистому червецу возможность широко распространяться. Виды Hippeococcus имеют длинные цепкие ноги с когтями, чтобы хватать муравьев Dolichoderus , которые ухаживают за ними; они позволяют занести себя в колонию муравьев. Здесь мучнистые червецы защищены от хищников и опасностей окружающей среды, в то время как у муравьев есть источник питания. [2] Другой вид муравьев содержит стадо щитовок внутри полых стеблей дерева Barteria ; щитовки питаются соком, а муравьи, пользуясь медвяной росой, отгоняют от дерева других травоядных насекомых, а также не дают лозам его задушить. [15]
У щитовок есть различные естественные враги, и исследования в этой области в основном направлены на виды, которые являются вредителями сельскохозяйственных культур. Энтомопатогенные грибы могут атаковать подходящие щитки и полностью их зарастать. Идентификация хозяина не всегда очевидна, поскольку многие грибы являются специфичными для хозяина и могут уничтожать все щитки одного вида, присутствующие на листе, не затрагивая другие виды. [16] Грибы рода Septobasidium имеют более сложные, мутуалистические отношения с щитовками. Гриб живет на деревьях, где он образует коврик, который зарастает щитками, уменьшая рост отдельных паразитирующих щитков и иногда делая их бесплодными, но защищая колонию щитков от условий окружающей среды и хищников. Гриб получает выгоду, метаболизируя сок, извлекаемый из дерева насекомыми. [17]
Естественные враги включают паразитоидных ос , в основном из семейств Encyrtidae и Eulophidae , и хищных жуков, таких как грибные долгоносики , божьи коровки и жуки-соковы . [2] Божьи коровки питаются тлями и щитовками, откладывая яйца рядом со своей добычей, чтобы обеспечить личинкам немедленный доступ к пище. Божья коровка Cryptolaemus montrouzieri известна как «уничтожитель мучнистых червецов», потому что и взрослые особи, и личинки питаются мучнистыми червецами и некоторыми мягкими чешуйками. [18] Муравьи, заботящиеся о своих поставщиках медвяной росы, как правило, отгоняют хищников, но истребитель мучнистых червецов перехитрил муравьев, разработав скрытную маскировку, а их личинки имитируют личинок щитовок. [2]
Многие виды щитовок являются серьезными вредителями сельскохозяйственных культур и особенно проблематичны из-за их способности обходить карантинные меры. [19] [20] В 1990 году они нанесли ущерб урожаю в Соединенных Штатах на сумму около 5 миллиардов долларов. [21] Восковой покров многих видов щитовок эффективно защищает их взрослых особей от контактных инсектицидов , которые эффективны только против нимфальной стадии первой стадии, известной как гусеница . Однако щитовок часто можно контролировать с помощью садовых масел , которые их душат , системных пестицидов, которые отравляют сок растений-хозяев, или биологических агентов контроля , таких как крошечные паразитоидные осы и божьи коровки. Инсектицидное мыло также может использоваться против щитовок. [22]
Один вид, щитовка хлопковая, является серьезным коммерческим вредителем 65 семейств древесных растений, включая цитрусовые . Он распространился по всему миру из Австралии. [23] [24]
В то же время некоторые виды щитовок сами по себе полезны в качестве биологических агентов борьбы с вредными растениями, например, различные виды кошенильных насекомых , которые нападают на инвазивные виды опунции , которые широко распространены, особенно в Австралии и Африке. [25] [26]
Некоторые виды щитовок экономически ценны из-за веществ, которые они могут давать при правильном содержании. Некоторые, такие как кошениль , кермес , лак , армянская кошениль и польская кошениль , использовались для производства красных красителей для окраски продуктов питания и тканей. [27] [28] [29] Как название цвета « малиновый », так и родовое название Kermes происходят от итальянского carmesi или cremesi для красителя, используемого для итальянских шелковых тканей, в свою очередь от персидского [30] qirmizī (قرمز), что означает как цвет, так и насекомое. [31] Название цвета « алый » аналогично происходит от арабского siklāt , обозначающего чрезвычайно дорогие роскошные шелка, окрашенные в красный цвет с использованием кермеса. [32]
Некоторые виды восковых чешуек родов Ceroplastes и Ericerus производят такие материалы, как китайский воск , [33] а несколько родов лаковых чешуек производят шеллак . [34]
Группа насекомых, включающая щитовок, ранее рассматривалась как надсемейство Coccoidea, но таксономические неопределенности заставили исследователей предпочесть использование инфраотряда Coccomorpha в качестве предпочтительного названия для группы. [35] Щитовок являются членами Sternorrhyncha . Филогения современных групп, выведенная из анализа малой субъединицы (18S) рибосомной РНК , показана на первой кладограмме . [ требуется ссылка ]
Время филогенетической диверсификации в пределах Coccomorpha было оценено в исследовании 2016 года на основе оценок времени расхождения молекулярных часов , а также ископаемых, используемых для калибровки. Они предположили, что основные линии щитовок разошлись до их хозяев — покрытосеменных, и предположили, что насекомые переключились с питания голосеменными, как только покрытосеменные стали обычными и широко распространенными в меловом периоде. Они подсчитали, что Coccomorpha появились в начале триасового периода , около 245 миллионов лет назад, а неококкоиды появились в ранней юре, около 185 миллионов лет назад. [37] Щитовок очень хорошо представлены в летописи окаменелостей, причем самый старый известный член группы был обнаружен в позднеюрском янтаре из Ливана. [38] Они в изобилии сохранились в янтаре с раннего мела, 130 миллионов лет назад; они уже были очень разнообразны к меловому периоду. Все семейства были монофилетическими, за исключением Eriococcidae . Coccomorpha делятся на две клады: «Archaeococcoids» и «Neococcoids». Семейства археококкоидов имеют взрослых самцов либо с фасеточными глазами, либо с рядом единорогих глаз, а также имеют брюшные дыхальца у самок. У неоккоидов у самок нет брюшных дыхалец. [39] В кладограмме ниже род Pityococcus перемещен в «Neococcoids». Кладограмма, показывающая основные семейства, использующие эту методологию, показана ниже. [37]
Распознавание семейств насекомых-щитовок со временем менялось, и обоснованность многих из них остается неопределенной, [40] [41] при этом несколько признанных семейств, не включенных в представленную выше филогению, включая вымершие группы, перечислены ниже: [42] [43] [44]
На сайте «Избранные существа» Университета Флориды / Института пищевых и сельскохозяйственных наук :