BACILLUS THURINGIENSIS: ХАРАКТЕРИСТИКИ, МОРФОЛОГІЯ, ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ - БІОЛОГІЯ - 2025

Bacillus thuringiensis - це бактерія, яка належить до великої групи грампозитивних бактерій, деяких патогенних та інших абсолютно нешкідливих. Це одна з бактерій, яку найбільше вивчили завдяки своїй корисності в сільському господарстві.

Ця корисність полягає в тому, що ця бактерія має особливість вироблення кристалів під час фази спороношення, які містять білки, які виявляються токсичними для певних комах, які є справжніми шкідниками сільськогосподарських культур.

Кристали токсину B. thuringiensis. Джим Бакман зараховується, а оригінальним завантажувачем є PRJohnston. (w: en: Зображення: Bacillus thuringiensis.JPG), через Wikimedia Commons

Серед найвидатніших характеристик Bacillus thuringiensis - його висока специфічність, його нешкідливість для людини, рослин і тварин, а також його мінімальна стійкість. Ці ознаки дозволили йому позиціонувати себе як один з найкращих варіантів лікування та боротьби з шкідниками, які страждають від посівів.

Успішне використання цієї бактерії стало очевидним у 1938 р., Коли з’явився перший пестицид, виготовлений із його спорами. Відтоді історія була довгою, і Bacillus thuringiensis був ратифікований як один з найкращих варіантів, коли справа стосується боротьби з шкідниками сільського господарства.

Таксономія

Таксономічна класифікація Bacillus thuringiensis така:

Домен: Бактерії

Тип: Фірма

Клас: Бацили

Порядок: Бацилли

Сімейство: Bacillaceae

Рід: Бацил

Порода: Bacillus thuringiensis

Морфологія

Вони являють собою паличкоподібні бактерії із закругленими кінцями. Вони представляють пертричний малюнок джгутиків, з джгутиками, розподіленими по всій поверхні клітини.

Він має розміри 3-5 мкм в довжину на 1-1,2 мкм. У їх експериментальних культурах спостерігаються кругові колонії діаметром 3-8 мм, з правильними краями та зовнішнім виглядом «меленого скла».

При спостереженні під електронним мікроскопом спостерігаються типові витягнуті клітини, об’єднані в короткі ланцюги.

Цей вид бактерій виробляє спори, які мають характерну еліпсоїдальну форму і розташовані в центральній частині клітини, не викликаючи її деформації.

Загальна характеристика

В першу чергу, Bacillus thuringiensis - грампозитивна бактерія, що означає, що піддаючись процесу фарбування за Грамом, вона набуває фіолетовий колір.

Так само це бактерія, яка характеризується своєю здатністю колонізувати різні середовища. Можна було виділити його на всіх типах ґрунтів. Він має широке географічне поширення, його можна було знайти навіть в Антарктиді, одному з найбільш ворожих середовищ планети.

Він має активний метаболізм, здатний бродити вуглеводи, такі як глюкоза, фруктоза, рибоза, мальтоза та трегалоза. Він також може гідролізувати крохмаль, желатин, глікоген та N-ацетил-глюкозамін.

У цьому ж ключі Bacillus thuringiensis є позитивним для каталази, здатний розкласти перекис водню у воду та кисень.

Коли його вирощували на середовищі агару крові, спостерігали закономірність бета-гемолізу, що означає, що ця бактерія здатна повністю руйнувати еритроцити.

Що стосується екологічних вимог до зростання, то він потребує температурних діапазонів від 10 - 15 ° C до 40 -45 ° C. Аналогічно, його оптимальний рН - між 5,7 і 7.

Bacillus thuringiensis - це сувора аеробна бактерія. Він повинен знаходитися в середовищі з достатньою кількістю кисню.

Відмінна характеристика Bacillus thuringiensis полягає в тому, що під час процесу спороутворення він утворює кристали, що складаються з білка, відомого як дельта токсин. У межах цих двох груп були виділені: Cry і Cyt.

Цей токсин здатний спричинити загибель певних комах, які є справжніми шкідниками різних видів культур.

Життєвий цикл

B. thuringiensis має життєвий цикл з двома фазами: одна з них характеризується вегетативним зростанням, а інша спороношенням. Перший з них виникає у сприятливих для розвитку умовах, таких як середовище, багате поживними речовинами, другий у несприятливих умовах, з дефіцитом харчового субстрату.

Личинки комах, таких як метелики, жуки або мухи, крім інших, під час годування листям, плодами чи іншими частинами рослини можуть поглинати ендоспори бактерії B. thuringiensis.

У травному тракті комахи завдяки своїм лужним характеристикам кристалізується білок бактерії розчиняється та активується. Білок зв’язується з рецептором на кишкових клітинах комах, утворюючи пори, які впливають на електролітний баланс, спричиняючи загибель комахи.

Таким чином, бактерія використовує тканини мертвої комахи для її живлення, розмноження та утворення нових спор, які будуть заражати нових господарів.

Токсин

Токсини, що продукуються В. thuringiensis, мають високоспецифічну дію на безхребетних і нешкідливі для хребетних. Параспоральні включення B. thuringensis мають різноманітні білки з різноманітною та синергетичною активністю.

B. thuringienisis має кілька факторів вірулентності, які включають, крім дельта-ендотоксинів Cry і Cyt, певні альфа- та бета-екзотоксини, хітинази, ентеротоксини, фосфоліпази та гемолізини, які підвищують його ефективність як ентомопатоген.

Токсичні білкові кристали В. thuringiensis руйнуються в ґрунті мікробною дією і можуть бути денатуровані внаслідок падіння сонячної радіації.

Використання в боротьбі зі шкідниками

Ентомопатогенний потенціал Bacillus thuringiensis вже більше 50 років широко використовується для захисту сільськогосподарських культур.

Завдяки розвитку біотехнології та прогресу в ньому вдалося використати цей токсичний ефект через два основні шляхи: виробництво пестицидів, які використовуються безпосередньо на посівах, і створення трансгенних харчових продуктів.

Механізм дії токсину

Щоб зрозуміти важливість цієї бактерії в боротьбі зі шкідниками, важливо знати, як токсин атакує організм комах.

Механізм його дії поділяється на чотири етапи:

Розчинення та переробка протоксину крику : кристали, що потрапляють у личинки комах, розчиняються в кишечнику. Дією наявних протеаз вони перетворюються на активні токсини. Ці токсини перетинають так звану перитрофічну мембрану (захисну мембрану клітин епітелію кишечника).

Зв’язування з рецепторами : токсини зв’язуються з конкретними ділянками, які розташовані в мікроворсинах кишкових клітин комахи.

Введення в мембрану та утворення пір : Білки крих вставляються в мембрану і викликають повне руйнування тканини через утворення іонних каналів.

Цитоліз : загибель клітин кишечника. Це відбувається за допомогою декількох механізмів, найбільш відомим - осмотичний цитоліз та інактивація системи, яка підтримує баланс pH.

Bacillus thuringiensis

Після того, як була перевірена токсична дія білків, вироблених бактеріями, було вивчено їх потенційне використання у боротьбі зі шкідниками на посівах.

Було проведено багато досліджень для визначення пестицидних властивостей токсину, що виробляється цими бактеріями. Завдяки позитивним результатам цих досліджень Bacillus thuringiensis став найбільш широко використовуваним біологічним інсектицидом у всьому світі для боротьби зі шкідниками, які пошкоджують та негативно впливають на різні культури.

Джерело: Pixabay.com

Біоінсектициди на основі Bacillus thuringiensis еволюціонували з часом. Від перших, які містили лише спори та кристали, до тих, які відомі як бактерії третього покоління, які містять рекомбінантні бактерії, що генерують токсин bt і мають такі переваги, як потрапляння до рослинних тканин.

Важливість токсину, що виробляється цією бактерією, полягає в тому, що він не тільки ефективний проти комах, але і проти інших організмів, таких як нематоди, найпростіші та трематоди.

Важливо уточнити, що цей токсин абсолютно нешкідливий для інших типів живих істот, таких як хребетні, до групи яких належать люди. Це тому, що внутрішні умови травної системи не ідеальні для її проліферації та дії.

Bacillus thuringiensis

Завдяки технологічному прогресу, особливо розвиткові технології рекомбінантних ДНК, вдалося створити рослини, генетично несприйнятливі до впливу комах, що завдають хаосу на посівах. Ці рослини загалом відомі як трансгенна їжа або генетично модифіковані організми.

Ця технологія полягає у визначенні всередині геному бактерії послідовності генів, що кодують експресію токсичних білків. Ці гени згодом переносяться в геном рослини, що підлягає лікуванню.

Коли рослина росте і розвивається, вона починає синтезувати токсин, який раніше вироблявся Bacillus thuringiensis, будучи потім несприйнятливим до дії комах.

Існує кілька заводів, на яких ця технологія застосовується. Серед них кукурудза, бавовна, картопля, соя. Ці культури відомі як Bt кукурудза, Bt бавовна тощо.

Звичайно, ці трансгенні продукти викликали певну стурбованість у населення. Однак у доповіді, опублікованій Агенцією з охорони навколишнього середовища США, було встановлено, що на сьогоднішній день ці продукти харчування не виявляють жодного виду токсичності та пошкоджень ні у людей, ні у вищих тварин.

Вплив на комах

Кристали B. thuringiensis розчиняються в кишечнику комахи з високим рівнем pH та протоксини, а також виділяються інші ферменти та білки. Таким чином протоксини стають активними токсинами, які зв'язуються зі спеціалізованими рецепторними молекулами на клітинах кишечника.

Токсин B. thuringiensis виробляє при припиненні ковтання комахами, паралічі кишечника, блювоті, дисбалансі виділення, осмотичній декомпенсації, загальному паралічі та нарешті смерті.

Внаслідок дії токсину в тканинах кишечника відбувається серйозне пошкодження, що перешкоджає його функціонуванню, впливаючи на засвоєння поживних речовин.

Кишечник "Caenorhabditis elegans", заражений "Bacillus thuringiensis". Джерело: www.researchgate.net

Вважалося, що смерть комахи може бути спричиненою проростанням спор та розмноженням вегетативних клітин у гемоцеле комах.

Однак вважається, що смертність більше залежатиме від дії коменсальних бактерій, які живуть в кишечнику комах, і що після дії токсину B. thuringiensis вони зможуть викликати септицемію.

Токсин B. thuringiensis не впливає на хребетних, оскільки перетравлення їжі в останньому відбувається в кислих середовищах, де токсин не активується.

Його висока специфічність у комах виділяється, особливо відома Lepidoptera. Він вважається нешкідливим для більшості ентомофауни і не має шкідливої ​​дії на рослини, тобто не є фітотоксичним.

Список літератури

1. Хофф, Х. та Уайтлі, Х. (1989, червень). Інсектицидні кристалічні білки Bacillus thuringiensis. Мікробіологічний огляд. 53 (2). 242-255.
2. Мартін, П. і Траверс, Р. (1989, жовтень). Всесвітнє багатство та розповсюдження прикладних бактерій та мікробіології навколишнього середовища. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. and Yeon, H. (2007) Bacillus thuringiensis як специфічний, безпечний та ефективний інструмент боротьби з комахами-шкідниками. Журнал мікробіології та біотехнології. 17 (4). 547-559
4. Саука, Д. та Бенітенде Г. (2008). Bacillus thuringiensis: узагальнення. Підхід до його використання в біоконтролі лепідоптера комах, що є шкідниками сільського господарства. Аргентинський журнал мікробіології. 40. 124-140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D., and Dean H. (1998, September). Bacillus thuringiensis та його пестицидний кристалічний білок. Огляди мікробіології та молекулярної біології. 62 (3). 775-806.
6. Вілла, Е., Парра, Ф., Кіра, Л. та Вілалобос, С. (2018, січень). Рід Bacillus як засоби біологічного контролю та їх наслідки для біобезпеки сільського господарства. Мексиканський журнал фітопатології. Інтернет-видання.