BACILLUS THURINGIENSIS: ХАРАКТЕРИСТИКА, МОРФОЛОГИЯ, ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ. - БИОЛОГИЯ - 2025

Bacillus thuringiensis - это бактерия, которая принадлежит к большой группе грамположительных бактерий, некоторые из которых являются патогенными, а другие - совершенно безвредными. Это одна из бактерий, наиболее изученных в связи с ее полезностью в сельском хозяйстве.

Эта полезность заключается в том, что эта бактерия имеет особенность производить кристаллы во время фазы споруляции, которые содержат белки, которые оказываются токсичными для определенных насекомых, которые являются настоящими вредителями сельскохозяйственных культур.

Кристаллы токсина B. thuringiensis. Автор: Джим Бакман, автор - П. Р. Джонстон. (w: en: Изображение: Bacillus thuringiensis.JPG), через Wikimedia Commons

Среди наиболее выдающихся характеристик Bacillus thuringiensis - высокая специфичность, безвредность для человека, растений и животных, а также минимальная остаточность. Эти характеристики позволили ему позиционировать себя как один из лучших вариантов лечения и борьбы с вредителями, поражающими посевы.

Успешное использование этой бактерии стало очевидным в 1938 году, когда появился первый пестицид, изготовленный на основе ее споров. С тех пор история длилась долгая, и благодаря ей Bacillus thuringiensis была признана одним из лучших вариантов борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

таксономия

Таксономическая классификация Bacillus thuringiensis:

Домен: бактерии

Тип: Firmicutes

Класс: Бациллы

Отряд: Bacillales

Семья: Bacillaceae

Род: Bacillus

Вид: Bacillus thuringiensis.

Морфология

Это палочковидные бактерии с закругленными концами. Они представляют собой пертрический паттерн жгутиков, при этом жгутики распределены по всей поверхности клетки.

Он имеет размеры 3-5 мкм в длину и 1-1,2 мкм в ширину. В их экспериментальных культурах наблюдаются круглые колонии диаметром 3-8 мм с правильными краями и внешним видом «матового стекла».

При наблюдении под электронным микроскопом наблюдаются типичные удлиненные клетки, объединенные в короткие цепочки.

Этот вид бактерий производит споры характерной эллипсоидной формы, которые располагаются в центральной части клетки, не вызывая ее деформации.

Общие характеристики

Во-первых, Bacillus thuringiensis является грамположительной бактерией, а это означает, что при окрашивании по Граму она приобретает фиолетовый цвет.

Точно так же это бактерия, характеризующаяся своей способностью колонизировать различные среды. Выделить его удалось на всех типах почв. Он имеет широкое географическое распространение и был обнаружен даже в Антарктиде, одном из самых враждебных мест на планете.

Он обладает активным метаболизмом, способным сбраживать углеводы, такие как глюкоза, фруктоза, рибоза, мальтоза и трегалоза. Он также может гидролизовать крахмал, желатин, гликоген и N-ацетилглюкозамин.

Точно так же Bacillus thuringiensis обладает положительной каталазой, способной разлагать перекись водорода на воду и кислород.

Когда она была выращена на среде кровяного агара, наблюдалась картина бета-гемолиза, что означает, что эта бактерия способна полностью разрушать эритроциты.

Что касается требований к окружающей среде для роста, он требует температурного диапазона от 10-15 ° C до 40-45 ° C. Точно так же его оптимальный pH составляет от 5,7 до 7.

Bacillus thuringiensis - это строго аэробная бактерия. Он должен находиться в среде с достаточным количеством кислорода.

Отличительной особенностью Bacillus thuringiensis является то, что в процессе споруляции он генерирует кристаллы, состоящие из белка, известного как дельта-токсин. Внутри этих двух групп были идентифицированы: Cry и Cyt.

Этот токсин способен вызывать гибель некоторых насекомых, являющихся настоящими вредителями для различных видов сельскохозяйственных культур.

Жизненный цикл

Жизненный цикл B. thuringiensis состоит из двух фаз: одна из них характеризуется вегетативным ростом, другая - споруляцией. Первый из них возникает в благоприятных условиях для развития, например, в богатой питательными веществами среде, второй - в неблагоприятных условиях, при недостатке кормового субстрата.

Личинки насекомых, таких как бабочки, жуки или мухи, среди прочего, питаясь листьями, плодами или другими частями растения, могут заглатывать эндоспоры бактерии B. thuringiensis.

В пищеварительном тракте насекомого из-за его щелочных свойств кристаллизованный белок бактерии растворяется и активируется. Белок связывается с рецептором на клетках кишечника насекомого, образуя поры, которые влияют на баланс электролитов, вызывая смерть насекомого.

Таким образом, бактерия использует ткани мертвого насекомого для своего питания, размножения и образования новых спор, которые будут инфицировать новых хозяев.

Токсин

Токсины, продуцируемые B. thuringiensis, обладают высокоспецифическим действием на беспозвоночных и безвредны для позвоночных. Параспоральные включения B. thuringensis обладают разнообразными белками с разнообразной и синергической активностью.

B. thuringienisis имеет несколько факторов вирулентности, которые включают, помимо дельта-эндотоксинов Cry и Cyt, некоторые альфа- и бета-экзотоксины, хитиназы, энтеротоксины, фосфолипазы и гемолизины, которые повышают его эффективность как энтомопатогена.

Кристаллы токсичного белка B. thuringiensis разлагаются в почве под действием микробов и могут денатурироваться под воздействием солнечной радиации.

Использование в борьбе с вредителями

Энтомопатогенный потенциал Bacillus thuringiensis активно используется более 50 лет для защиты сельскохозяйственных культур.

Благодаря развитию биотехнологии и ее достижениям стало возможным использовать этот токсический эффект по двум основным направлениям: производство пестицидов, которые используются непосредственно на сельскохозяйственных культурах, и создание трансгенных пищевых продуктов.

Механизм действия токсина

Чтобы понять важность этой бактерии в борьбе с вредителями, важно знать, как токсин атакует организм насекомого.

Механизм его действия делится на четыре этапа:

Солюбилизация и переработка протоксина Cry : кристаллы, попавшие в организм личинок насекомых, растворяются в кишечнике. Под действием присутствующих протеаз они превращаются в активные токсины. Эти токсины проникают через так называемую перитрофическую мембрану (защитную мембрану клеток эпителия кишечника).

Связывание с рецепторами : токсины связываются со специфическими участками, которые расположены в микроворсинках кишечных клеток насекомого.

Вставка в мембрану и формирование пор : белки Cry вставляются в мембрану и вызывают полное разрушение ткани за счет образования ионных каналов.

Цитолиз : гибель клеток кишечника. Это происходит посредством нескольких механизмов, наиболее известными из которых являются осмотический цитолиз и инактивация системы, поддерживающей баланс pH.

Bacillus thuringiensis

После того, как токсический эффект белков, продуцируемых бактериями, был подтвержден, было изучено их потенциальное использование для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

Было проведено множество исследований для определения пестицидных свойств токсина, вырабатываемого этими бактериями. Благодаря положительным результатам этих исследований, Bacillus thuringiensis стал наиболее широко используемым биологическим инсектицидом во всем мире для борьбы с вредителями, которые повреждают и отрицательно влияют на различные культуры.

Источник: Pixabay.com

Биоинсектициды на основе Bacillus thuringiensis со временем эволюционировали. От первых, которые содержали только споры и кристаллы, до тех, которые известны как бактерии третьего поколения, которые содержат рекомбинантные бактерии, вырабатывающие токсин bt и обладающие такими преимуществами, как достижение тканей растений.

Важность токсина, вырабатываемого этой бактерией, заключается в том, что он эффективен не только против насекомых, но и против других организмов, таких как нематоды, простейшие и трематоды.

Важно уточнить, что этот токсин совершенно безвреден для других типов живых существ, таких как позвоночные, к группе которых принадлежат люди. Это происходит потому, что внутренние условия пищеварительной системы не идеальны для ее распространения и воздействия.

Bacillus thuringiensis

Благодаря технологическим достижениям, особенно развитию технологии рекомбинантной ДНК, стало возможным создавать растения, генетически невосприимчивые к воздействию насекомых, наносящих ущерб посевам. Эти растения обычно называют трансгенными продуктами питания или генетически модифицированными организмами.

Эта технология заключается в идентификации в геноме бактерии последовательности генов, кодирующих экспрессию токсичных белков. Эти гены позже переносятся в геном обрабатываемого растения.

Когда растение растет и развивается, оно начинает синтезировать токсин, который ранее вырабатывался Bacillus thuringiensis, а затем становится невосприимчивым к действию насекомых.

Есть несколько заводов, на которых применялась эта технология. Среди них кукуруза, хлопок, картофель и соя. Эти культуры известны как кукуруза, хлопок и т. Д.

Конечно, эти трансгенные продукты вызывают у населения некоторую озабоченность. Однако в отчете, опубликованном Агентством по окружающей среде США, было определено, что эти продукты на сегодняшний день не проявили какой-либо токсичности или повреждения ни у людей, ни у высших животных.

Воздействие на насекомое

Кристаллы B. thuringiensis растворяются в кишечнике насекомого с высоким pH и высвобождаются протоксины и другие ферменты и белки. Таким образом, протоксины становятся активными токсинами, которые связываются со специализированными рецепторными молекулами в клетках кишечника.

Токсин B. thuringiensis вызывает прекращение приема пищи насекомыми, паралич кишечника, рвоту, дисбаланс выделения, осмотическую декомпенсацию, общий паралич и, наконец, смерть.

Из-за действия токсина в кишечной ткани происходит серьезное повреждение, которое препятствует ее функционированию, влияя на усвоение питательных веществ.

Кишечник Caenorhabditis elegans инфицирован Bacillus thuringiensis. Источник: www.researchgate.net

Считалось, что смерть насекомого может быть вызвана прорастанием спор и размножением вегетативных клеток в гемоцеле насекомого.

Однако считается, что смертность будет больше зависеть от действия комменсальных бактерий, которые живут в кишечнике насекомого, и что после действия токсина B. thuringiensis они будут способны вызывать сепсис.

Токсин B. thuringiensis не влияет на позвоночных, поскольку переваривание пищи у последних происходит в кислой среде, где токсин не активируется.

Обращает на себя внимание его высокая специфичность к насекомым, особенно известным чешуекрылым. Он считается безвредным для большей части энтомофауны и не оказывает вредного воздействия на растения, то есть не является фитотоксичным.

Ссылки

1. Хоффе, Х. и Уайтли, Х. (1989, июнь). Инсектицидные кристаллические белки Bacillus thuringiensis. Микробиологический обзор. 53 (2). 242-255.
2. Мартин П. и Трэверс Р. (1989, октябрь). Мировая численность и распространение Bacillus thuringiensis Прикладная и экологическая микробиология. 55 (10). 2437-2442.
3. Ро Дж., Джэ Й., Минг С., Бьюнг Р. и Йон Х. (2007). Bacillus thuringiensis как специфический, безопасный и эффективный инструмент борьбы с насекомыми-вредителями. Журнал микробиологии и биотехнологии.17 (4). 547-559
4. Саука Д. и Бенитенде Г. (2008). Bacillus thuringiensis: общие положения. Подход к его использованию в биоконтроле чешуекрылых насекомых-вредителей сельского хозяйства. Аргентинский журнал микробиологии. 40. 124-140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D., and Dean H. (1998, сентябрь). Bacillus thuringiensis и его пестицидный кристаллический белок. Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 62 (3). 775-806.
6. Вилла, Э., Парра, Ф., Чира, Л. и Вильялобос, С. (2018, январь). Род Bacillus как агенты биологической борьбы и их значение для биобезопасности сельского хозяйства. Мексиканский журнал фитопатологии. Интернет-издание.