BACILLUS THURINGIENSIS: ХАРАКТЕРИСТИКИ, МОРФОЛОГИЯ, ЖИЗНЕН ЦИКЪЛ - БИОЛОГИЯ - 2025

Bacillus thuringiensis е бактерия, която принадлежи към голяма група грам-положителни бактерии, някои патогенни и други напълно безвредни. Тя е една от бактериите, която е изследвана най-много поради своята полезност в селското стопанство.

Тази полезност се състои във факта, че тази бактерия има особеността да произвежда кристали по време на фазата си на спорообразуване, които съдържат протеини, които се оказват токсични за определени насекоми, които представляват истински вредители за културите.

Кристали от B. thuringiensis токсин. От Джим Бъкман се кредитира, а оригиналният качител е PRJohnston. (w: bg: Изображение: Bacillus thuringiensis.JPG), през Wikimedia Commons

Сред най-забележителните характеристики на Bacillus thuringiensis са неговата висока специфичност, неговата безвредност за човека, растенията и животните, както и минималната му остатъчност. Тези атрибути му позволиха да се позиционира като един от най-добрите варианти за третиране и контрол на вредители, които поразиха посевите.

Успешната употреба на тази бактерия става очевидна през 1938 г., когато се появява първият пестицид, произведен с нейните спори. Оттогава историята е дълга и чрез нея Bacillus thuringiensis е ратифициран като един от най-добрите варианти, когато става въпрос за контрол на селскостопанските вредители.

таксономия

Таксономичната класификация на Bacillus thuringiensis е:

Домен: Бактерии

Тип: Фирмикуси

Клас: Бацили

Поръчка: Бацили

Семейство: Bacillaceae

Род: Bacillus

Видове: Bacillus thuringiensis

морфология

Те са бактерия с пръчковидни форми със заоблени краища. Те представят пертричен модел на бичене, с жлеци, разпределени по цялата клетъчна повърхност.

Той има размери от 3-5 микрона дълги до 1-1.2 микрона. В техните експериментални култури се наблюдават кръгови колонии с диаметър 3-8 mm, с правилни ръбове и вид на "смляно стъкло".

Когато се наблюдават под електронния микроскоп, се наблюдават типичните удължени клетки, обединени в къси вериги.

Този вид бактерии произвежда спори, които имат характерна елипсоидална форма и са разположени в централната част на клетката, без да причиняват нейната деформация.

Основни характеристики

На първо място, Bacillus thuringiensis е грам-положителна бактерия, което означава, че при подлагане на процеса на оцветяване по Грам придобива виолетов цвят.

По същия начин това е бактерия, характеризираща се със способността си да колонизира различни среди. Възможно е да се изолира върху всички видове почви. Той има широко географско разпространение, открит е дори в Антарктида, една от най-враждебните среди на планетата.

Той има активен метаболизъм, като може да ферментира въглехидрати като глюкоза, фруктоза, рибоза, малтоза и трехалоза. Той също така може да хидролизира нишесте, желатин, гликоген и N-ацетил-глюкозамин.

В същата вена, Bacillus thuringiensis е положителен за каталаза, като е в състояние да разложи водороден пероксид във вода и кислород.

Когато се отглежда върху среда от кръвен агар, се наблюдава модел на бета хемолиза, което означава, че тази бактерия е в състояние напълно да унищожи еритроцитите.

По отношение на екологичните си изисквания за растеж, той изисква температурни диапазони от 10 - 15 ° C до 40 -45 ° C. По същия начин оптималното му рН е между 5,7 и 7.

Bacillus thuringiensis е строга аеробна бактерия. Тя трябва да бъде в среда с достатъчно количество кислород.

Отличителната характеристика на Bacillus thuringiensis е, че по време на процеса на спорообразуване той генерира кристали, съставени от протеин, известен като делта токсин. В рамките на тези две групи са идентифицирани: Cry и Cyt.

Този токсин е в състояние да причини смъртта на определени насекоми, които са истински вредители за различни видове култури.

Кръговат на живота

B. thuringiensis има жизнен цикъл с две фази: едната от тях се характеризира с вегетативен растеж, а другата със спорулация. Първият от тях се среща в благоприятни условия за развитие, като среда, богата на хранителни вещества, вторият в неблагоприятни условия, с недостиг на хранителен субстрат.

Ларвите на насекоми като пеперуди, бръмбари или мухи, наред с други, когато се хранят с листа, плодове или други части на растението, могат да погълнат ендоспори на бактерията В. thuringiensis.

В храносмилателния тракт на насекомото, поради алкалните си характеристики, кристализираният протеин от бактерията се разтваря и активира. Протеинът се свързва с рецептор върху чревните клетки на насекомото, образувайки пори, които влияят на електролитния баланс, причинявайки смъртта на насекомото.

По този начин бактерията използва тъканите на мъртвото насекомо за храненето, размножаването и образуването на нови спори, които ще заразят нови гостоприемници.

токсин

Токсините, произведени от B. thuringiensis, имат силно специфично действие при безгръбначни и са безвредни при гръбначните животни. Параспоралните включвания на B. thuringensis притежават разнообразни протеини с разнообразна и синергична активност.

В. thuringienisis има различни фактори за вирулентност, които включват, освен делтовите ендотоксини Cry и Cyt, някои алфа и бета екзотоксини, хитинази, ентеротоксини, фосфолипази и хемолизини, които повишават неговата ефективност като ентомопатоген.

Токсичните протеинови кристали на B. thuringiensis се разграждат в почвата чрез микробно действие и могат да бъдат денатурирани от появата на слънчева радиация.

Използва се за борба с вредители

Ентомопатогенният потенциал на Bacillus thuringiensis е широко използван повече от 50 години в защитата на културите.

Благодарение на развитието на биотехнологиите и напредъка в нея, беше възможно използването на този токсичен ефект по два основни пътя: производството на пестициди, които се използват директно върху културите, и създаването на трансгенни храни.

Механизъм на действие на токсина

За да се разбере значението на тази бактерия в борбата с вредителите, е важно да се знае как токсинът атакува тялото на насекомото.

Механизмът му на действие е разделен на четири етапа:

Разтваряне и преработка на протоксин на плака: кристалите, погълнати от ларвите на насекомите, се разтварят в червата. При действие на наличните протеази те се трансформират в активни токсини. Тези токсини кръстосват така наречената перитрофична мембрана (защитна мембрана на клетките на чревния епител).

Свързване с рецепторите: токсините се свързват със специфични места, които са разположени в микроворките на чревните клетки на насекомото.

Вмъкване в мембраната и образуване на порите: Cry протеините се вмъкват в мембраната и причиняват пълно разрушаване на тъканта чрез образуването на йонни канали.

Цитолиза: смърт на чревните клетки. Това става чрез няколко механизма, най-известният е осмотичната цитолиза и инактивирането на системата, която поддържа pH баланса.

Bacillus thuringiensis

След като се провери токсичният ефект на протеините, произвеждани от бактериите, е проучена тяхната потенциална употреба при борбата с вредителите в културите.

Проведени са много изследвания за определяне на пестицидните свойства на токсина, произведен от тези бактерии. Поради положителните резултати от тези проучвания, Bacillus thuringiensis се превърна в най-широко използвания биологичен инсектицид в световен мащаб за контрол на вредители, които увреждат и влияят негативно на различни култури.

Източник: Pixabay.com

Биоинсектицидите на базата на Bacillus thuringiensis се развиват с течение на времето. От първите, които съдържаха само спори и кристали, до тези, известни като такива от трето поколение, които съдържат рекомбинантни бактерии, които генерират bt токсина и които имат предимства като достигане до растителни тъкани.

Значението на токсина, произвеждан от тази бактерия, е, че той не е ефективен само срещу насекоми, но и срещу други организми като нематоди, протозои и трематоди.

Важно е да се изясни, че този токсин е напълно безвреден при други видове живи същества, като гръбначни животни, група, към която принадлежат хората. Това е така, защото вътрешните условия на храносмилателната система не са идеални за нейната пролиферация и ефект.

Bacillus thuringiensis

Благодарение на технологичния напредък, особено развитието на рекомбинантна ДНК технология, беше възможно да се създадат растения, които са генетично имунизирани срещу ефекта на насекомите, които предизвикват хаос върху културите. Тези растения са известни като трансгенни храни или генетично модифицирани организми.

Тази технология се състои в идентифициране в генома на бактерията последователността на гените, които кодират експресията на токсични протеини. По-късно тези гени се прехвърлят в генома на растението, което ще се лекува.

Когато растението расте и се развива, то започва да синтезира токсина, който преди това е бил произведен от Bacillus thuringiensis, след което е имунизиран срещу действието на насекомите.

Има няколко растения, в които е приложена тази технология. Сред тях са царевица, памук, картофи и соя. Тези култури са известни като bt царевица, bt памук и т.н.

Разбира се, тези трансгенни храни предизвикаха известна загриженост у населението. Въпреки това, в доклад, публикуван от Агенцията по околна среда на САЩ, беше установено, че към днешна дата тези храни не са проявили никакъв вид токсичност или увреждане, нито при хора, нито при по-високи животни.

Ефекти върху насекомото

Кристалите на B. thuringiensis се разтварят в червата на насекомото с високо pH и се отделят протоксините, както и други ензими и протеини. Така протоксините стават активни токсини, които се свързват със специализирани рецепторни молекули върху клетките на червата.

Токсинът B. thuringiensis произвежда при спиране на поглъщането на насекоми, парализа на червата, повръщане, дисбаланс в екскрецията, осмотична декомпенсация, обща парализа и накрая смърт.

Поради действието на токсина настъпва сериозно увреждане в чревната тъкан, което възпрепятства функционирането му, влияе върху асимилацията на хранителни вещества.

Черва на "Caenorhabditis elegans", заразена с "Bacillus thuringiensis". Източник: www.researchgate.net

Смята се, че смъртта на насекомото може да бъде причинена от покълването на спорите и разпространението на вегетативни клетки в хемоцелата на насекомите.

Смята се обаче, че смъртността би зависила повече от действието на коменсалните бактерии, които живеят в червата на насекомото, и че след действието на токсина B. thuringiensis те биха могли да причинят септицемия.

Токсинът B. thuringiensis не засяга гръбначните животни, тъй като храносмилането на храната в последния се извършва в кисела среда, където токсинът не се активира.

Откроява се високата му специфичност при насекомите, особено известна на Lepidoptera. Той се счита за безобиден за по-голямата част от ентомофауната и няма вредно действие върху растенията, тоест не е фитотоксичен.

Препратки

1. Hoffe, H. and Whiteley, H. (1989, юни). Инсектицидни кристални протеини на Bacillus thuringiensis. Микробиологичен преглед. 53 (2). 242-255.
2. Мартин, П. и Травърс, Р. (1989, октомври). В световен мащаб изобилие и разпространение на приложена Bacillus thuringiensis и микробиология на околната среда. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. and Yeon, H. (2007). Bacillus thuringiensis като специфичен, безопасен и ефективен инструмент за борба с насекомите. Списание за микробиология и биотехнология. 17 (4). 547-559
4. Sauka, D. и Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: общности. Подход за използването му в биоконтрола на лепидоптераните насекоми, които са вредители в селското стопанство. Аржентински журнал по микробиология. 40. 124-140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D. и Dean H. (1998, September). Bacillus thuringiensis и неговият пестициден кристален протеин. Прегледи за микробиология и молекулярна биология. 62 (3). 775-806.
6. Villa, E., Parrá, F., Cira, L. и Villalobos, S. (2018, януари). Родът Bacillus като агенти за биологичен контрол и техните последици за биосигурността в селското стопанство. Мексиканско списание по фитопатология. Онлайн публикация.