BACILLUS THURINGIENSIS: CHARAKTERYSTYKA, MORFOLOGIA, CYKL ŻYCIOWY - BIOLOGIA - 2026

Bacillus thuringiensis to bakteria należąca do dużej grupy bakterii Gram-dodatnich, niektórych patogennych, a innych całkowicie nieszkodliwych. Jest to jedna z najlepiej przebadanych bakterii ze względu na jej przydatność w rolnictwie.

Ta użyteczność polega na tym, że ta bakteria ma tę cechę, że w fazie sporulacji wytwarza kryształy, które zawierają białka, które okazują się toksyczne dla niektórych owadów, które stanowią prawdziwe szkodniki dla upraw.

Kryształy toksyny B. thuringiensis. Jim Buckman jest uznawany, a oryginalnym przesyłającym jest PRJohnston. (w: en: Image: Bacillus thuringiensis.JPG), za Wikimedia Commons

Do najbardziej wyróżniających się cech Bacillus thuringiensis należy jego wysoka specyficzność, nieszkodliwość dla ludzi, roślin i zwierząt oraz minimalna pozostałość. Te cechy pozwoliły mu pozycjonować się jako jedna z najlepszych opcji leczenia i zwalczania szkodników, które nękają uprawy.

Skuteczne wykorzystanie tej bakterii stało się oczywiste w 1938 roku, kiedy pojawił się pierwszy pestycyd wytwarzany z jej zarodników. Od tego czasu historia trwała długo i przez nią Bacillus thuringiensis został ratyfikowany jako jedna z najlepszych opcji, jeśli chodzi o zwalczanie szkodników rolnych.

Taksonomia

Klasyfikacja taksonomiczna Bacillus thuringiensis jest następująca:

Domena: Bakterie

Gromada: Firmicutes

Klasa: Bacilli

Zamówienie: Bacillales

Rodzina: Bacillaceae

Rodzaj: Bacillus

Gatunek: Bacillus thuringiensis

Morfologia

Są to bakterie w kształcie pręcików z zaokrąglonymi końcami. Przedstawiają one pertryczny wzór wici, z wici rozmieszczonymi na całej powierzchni komórki.

Ma wymiary 3-5 mikrometrów długości i 1-1,2 mikrometrów szerokości. W ich kulturach doświadczalnych obserwuje się kolonie okrągłe o średnicy 3-8 mm, o regularnych krawędziach i wyglądzie „szlifowanego szkła”.

Pod mikroskopem elektronowym obserwuje się typowe wydłużone komórki, połączone w krótkie łańcuchy.

Ten gatunek bakterii wytwarza zarodniki, które mają charakterystyczny elipsoidalny kształt i znajdują się w centralnej części komórki, nie powodując jej deformacji.

Charakterystyka ogólna

Bacillus thuringiensis to przede wszystkim bakteria Gram-dodatnia, co oznacza, że ​​poddana barwieniu metodą Grama nabiera fioletowego koloru.

Podobnie jest bakterią charakteryzującą się zdolnością do kolonizowania różnych środowisk. Udało się go wyizolować na wszystkich typach gleb. Występuje w szerokim zakresie geograficznym, znaleziono go nawet na Antarktydzie, jednym z najbardziej wrogich środowisk na planecie.

Ma aktywny metabolizm, zdolny do fermentacji węglowodanów, takich jak glukoza, fruktoza, ryboza, maltoza i trehaloza. Może również hydrolizować skrobię, żelatynę, glikogen i N-acetyloglukozaminę.

W tym samym duchu Bacillus thuringiensis jest katalazododatni, zdolny do rozłożenia nadtlenku wodoru na wodę i tlen.

Po wyhodowaniu na podłożu agarowym z krwią zaobserwowano wzór hemolizy beta, co oznacza, że ​​ta bakteria jest w stanie całkowicie zniszczyć erytrocyty.

Ze względu na wymagania środowiskowe do wzrostu wymaga zakresu temperatur od 10-15 ° C do 40-45 ° C. Podobnie jego optymalne pH wynosi od 5,7 do 7.

Bacillus thuringiensis jest bakterią ściśle tlenową. Musi znajdować się w środowisku z dostateczną dostępnością tlenu.

Charakterystyczną cechą Bacillus thuringiensis jest to, że podczas procesu sporulacji wytwarza kryształy zbudowane z białka znanego jako toksyna delta. W ramach tych dwóch grup zidentyfikowano: Cry i Cyt.

Ta toksyna może powodować śmierć niektórych owadów, które są prawdziwymi szkodnikami dla różnych rodzajów upraw.

Koło życia

B. thuringiensis ma cykl życiowy składający się z dwóch faz: jedna charakteryzuje się wzrostem wegetatywnym, druga zarodnikowaniem. Pierwsza z nich występuje w sprzyjających warunkach rozwojowych, takich jak środowiska bogate w składniki pokarmowe, druga w niesprzyjających warunkach, przy niedoborze substratu pokarmowego.

Larwy owadów, takich jak motyle, chrząszcze czy muchy, między innymi żerując na liściach, owocach lub innych częściach rośliny, mogą połykać przetrwalniki bakterii B. thuringiensis.

W przewodzie pokarmowym owada, ze względu na swoje zasadowe właściwości, skrystalizowane białko bakterii ulega rozpuszczeniu i aktywacji. Białko wiąże się z receptorem w komórkach jelitowych owadów, tworząc pory, które wpływają na równowagę elektrolitową, powodując śmierć owada.

W ten sposób bakteria wykorzystuje tkanki martwego owada do karmienia, namnażania i tworzenia nowych zarodników, które zakażą nowych żywicieli.

Toksyna

Toksyny wytwarzane przez B. thuringiensis mają wysoce specyficzne działanie na bezkręgowce i są nieszkodliwe dla kręgowców. Wtręty okołosporowe B. thuringensis posiadają różnorodne białka o zróżnicowanej i synergistycznej aktywności.

B. thuringienisis ma kilka czynników wirulencji, do których należą, oprócz endotoksyn delta Cry i Cyt, pewne alfa i beta egzotoksyny, chitynazy, enterotoksyny, fosfolipazy i hemolizyny, które zwiększają jego skuteczność jako entomopatogenu.

Toksyczne kryształy białek B. thuringiensis są rozkładane w glebie w wyniku działania mikroorganizmów i mogą ulegać denaturacji pod wpływem promieniowania słonecznego.

Zastosowania w zwalczaniu szkodników

Potencjał entomopatogenny Bacillus thuringiensis był od ponad 50 lat intensywnie wykorzystywany w ochronie upraw.

Dzięki rozwojowi biotechnologii i jej postępom udało się wykorzystać ten toksyczny efekt na dwa główne sposoby: produkcję pestycydów, które są stosowane bezpośrednio w uprawach oraz tworzenie transgenicznej żywności.

Mechanizm działania toksyny

Aby zrozumieć znaczenie tej bakterii w zwalczaniu szkodników, ważne jest, aby wiedzieć, w jaki sposób toksyna atakuje organizm owada.

Jego mechanizm działania dzieli się na cztery etapy:

Rozpuszczanie i przetwarzanie protoksyny płacz : kryształy połknięte przez larwy owadów rozpuszczają się w jelicie. W wyniku działania obecnych proteaz przekształcają się one w aktywne toksyny. Toksyny te przenikają przez tak zwaną błonę peritroficzną (ochronną błonę komórek nabłonka jelitowego).

Wiązanie z receptorami : toksyny wiążą się z określonymi miejscami, które znajdują się w mikrokosmkach komórek jelitowych owada.

Wstawienie do błony i utworzenie porów : Białka Cry wprowadzają się do błony i powodują całkowite zniszczenie tkanki poprzez tworzenie kanałów jonowych.

Cytoliza : śmierć komórek jelitowych. Dzieje się to za pośrednictwem kilku mechanizmów, z których najbardziej znanym jest cytoliza osmotyczna i inaktywacja układu, który utrzymuje równowagę pH.

Bacillus thuringiensis

Po zweryfikowaniu toksycznego działania białek wytwarzanych przez bakterie zbadano ich potencjalne zastosowanie w zwalczaniu szkodników w uprawach.

Przeprowadzono wiele badań w celu określenia szkodnikobójczych właściwości toksyn wytwarzanych przez te bakterie. Ze względu na pozytywne wyniki tych badań Bacillus thuringiensis stał się najczęściej stosowanym na świecie biologicznym środkiem owadobójczym do zwalczania szkodników, które uszkadzają i negatywnie wpływają na różne uprawy.

Źródło: Pixabay.com

Bioinsektycydy na bazie Bacillus thuringiensis ewoluowały z biegiem czasu. Od pierwszych, które zawierały tylko zarodniki i kryształy, po te znane jako trzecia generacja, które zawierają zrekombinowane bakterie, które wytwarzają toksynę bt i które mają takie zalety, jak docieranie do tkanek roślinnych.

Znaczenie toksyny wytwarzanej przez tę bakterię polega na tym, że jest ona skuteczna nie tylko przeciwko owadom, ale także przeciwko innym organizmom, takim jak nicienie, pierwotniaki i przywry.

Ważne jest, aby wyjaśnić, że ta toksyna jest całkowicie nieszkodliwa dla innych rodzajów istot żywych, takich jak kręgowce, grupa, do której należą ludzie. Dzieje się tak, ponieważ wewnętrzne warunki układu pokarmowego nie są idealne dla jego proliferacji i działania.

Bacillus thuringiensis

Dzięki postępowi technologicznemu, zwłaszcza rozwojowi technologii rekombinacji DNA, udało się stworzyć rośliny, które są genetycznie odporne na działanie owadów siejących spustoszenie w uprawach. Rośliny te są ogólnie znane jako żywność transgeniczna lub organizmy modyfikowane genetycznie.

Technologia ta polega na identyfikacji w genomie bakterii sekwencji genów kodujących ekspresję toksycznych białek. Geny te są później przenoszone do genomu leczonej rośliny.

Kiedy roślina rośnie i rozwija się, zaczyna syntetyzować toksynę, która była wcześniej produkowana przez Bacillus thuringiensis, będąc wówczas odporną na działanie owadów.

Istnieje kilka zakładów, w których zastosowano tę technologię. Wśród nich są kukurydza, bawełna, ziemniaki i soja. Te uprawy są znane jako kukurydza bt, bawełna bt itp.

Oczywiście ta transgeniczna żywność wzbudziła pewne obawy w populacji. Jednak w raporcie opublikowanym przez Agencję Środowiska Stanów Zjednoczonych ustalono, że ta żywność do tej pory nie wykazała żadnego rodzaju toksyczności ani uszkodzeń ani u ludzi, ani u wyższych zwierząt.

Wpływ na owady

Kryształy B. thuringiensis rozpuszczają się w jelicie owada o wysokim pH i uwalniają protoksyny oraz inne enzymy i białka. W ten sposób protoksyny stają się aktywnymi toksynami, które wiążą się z wyspecjalizowanymi cząsteczkami receptorów na komórkach jelita.

Toksyna B. thuringiensis powoduje zaprzestanie połykania przez owady, paraliż jelita, wymioty, zaburzenia równowagi wydalania, dekompensację osmotyczną, porażenie ogólne i ostatecznie śmierć.

Na skutek działania toksyny w tkance jelitowej dochodzi do poważnych uszkodzeń, które uniemożliwiają jego funkcjonowanie, wpływając na przyswajanie składników odżywczych.

Jelito „Caenorhabditis elegans” zakażone przez „Bacillus thuringiensis”. Źródło: www.researchgate.net

Uważa się, że śmierć owada może być spowodowana kiełkowaniem zarodników i proliferacją komórek wegetatywnych w hemocele owada.

Uważa się jednak, że śmiertelność zależałaby bardziej od działania bakterii komensalnych żyjących w jelicie owada i że po działaniu toksyny B. thuringiensis byłyby one zdolne do wywołania posocznicy.

Toksyna B. thuringiensis nie oddziałuje na kręgowce, ponieważ trawienie pokarmu w tych ostatnich odbywa się w środowisku kwaśnym, w którym toksyna nie jest aktywowana.

Wyróżnia się wysoką specyficznością u owadów, szczególnie znanych z Lepidoptera. Uważany jest za nieszkodliwy dla większości entomofauny i nie ma szkodliwego działania na rośliny, to znaczy nie jest fitotoksyczny.

Bibliografia

1. Hoffe, H. and Whiteley, H. (1989, czerwiec). Insektobójcze białka kryształowe Bacillus thuringiensis. Przegląd mikrobiologiczny. 53 ust. 2. 242-255.
2. Martin, P. and Travers, R. (1989, październik). Światowa liczebność i dystrybucja mikrobiologii stosowanej i środowiskowej Bacillus thuringiensis. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. and Yeon, H. (2007). Bacillus thuringiensis as a Specific, Safe and Effective Tool for Insect Pest Control. Journal of Microbiology and Biotechnology.17 (4). 547-559
4. Sauka, D. and Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: ogólniki. Podejście do jej wykorzystania w biokontroli owadów Lepidoptera, które są szkodnikami rolniczymi. Argentine Journal of Microbiology. 40. 124-140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D. i Dean H. (1998, wrzesień). Bacillus thuringiensis i jego pestycydowe białko kryształowe. Recenzje mikrobiologii i biologii molekularnej. 62 ust. 3. 775-806.
6. Villa, E., Parrá, F., Cira, L. and Villalobos, S. (2018, styczeń). Rodzaj Bacillus jako czynniki kontroli biologicznej i ich konsekwencje dla bezpieczeństwa biologicznego w rolnictwie. Mexican Journal of Phytopathology. Publikacja online.