BACILLUS THURINGIENSIS: ZNAČILNOSTI, MORFOLOGIJA, ŽIVLJENJSKI CIKEL - BIOLOGIJA - 2025

Bacillus thuringiensis je bakterija, ki spada v veliko skupino gram-pozitivnih bakterij, nekatere patogene in druge popolnoma neškodljive. Je ena izmed bakterij, ki so jo zaradi svoje uporabnosti v kmetijstvu najbolj preučevali.

Ta koristnost je v tem, da ima ta bakterija posebnost, da v svoji fazi sporalacije proizvaja kristale, ki vsebujejo beljakovine, za katere se izkaže, da so strupene za nekatere žuželke, ki predstavljajo prave škodljivce za poljščine.

Kristali toksina B. thuringiensis. Jim Buckman je zaslužen, prvotni nalagalec pa je PRJohnston. (w: sl: Slika: Bacillus thuringiensis.JPG), prek Wikimedia Commons

Med izstopajoče značilnosti bakterije Bacillus thuringiensis sodijo njegova visoka specifičnost, neškodljivost za človeka, rastline in živali ter minimalna obstojnost. Ti atributi so ji omogočili, da se je postavila kot ena najboljših možnosti za zdravljenje in zatiranje škodljivcev, ki so napadeli pridelke.

Uspešna uporaba te bakterije je postala očitna leta 1938, ko so se pojavili prvi pesticidi, proizvedeni s svojimi sporami. Od takrat naprej je bila zgodovina dolga, zato je bil Bacillus thuringiensis ratificiran kot ena najboljših možnosti za nadzor nad kmetijskimi škodljivci.

Taksonomija

Taksonomska klasifikacija Bacillus thuringiensis je:

Domena: Bakterije

Phylum: Firmicutes

Razred: Bacilli

Vrstni red: Bacile

Družina: Bacillaceae

Rod: Bacillus

Vrsta: Bacillus thuringiensis

Morfologija

So paličaste bakterije z zaobljenimi konci. Predstavljajo pertični vzorec flagelacije, ki se na celotni površini celic razdelijo.

Ima velikosti 3-5 mikronov, široko 1-1,2 mikrona. V njihovih eksperimentalnih kulturah opazimo krožne kolonije s premerom 3-8 mm, z navadnimi robovi in ​​videzom "brušenega stekla".

Ko jih opazujemo pod elektronskim mikroskopom, opazimo značilne podolgovate celice, združene v kratke verige.

Ta vrsta bakterij proizvaja spore, ki imajo značilno elipsoidno obliko in se nahajajo v osrednjem delu celice, ne da bi povzročile njegovo deformacijo.

Splošne značilnosti

V prvi vrsti je bakterija Bacillus thuringiensis gram-pozitivna bakterija, kar pomeni, da ko je podvržen postopku obarvanja po Gramu, dobi vijolično barvo.

Prav tako je bakterija, za katero je značilna sposobnost kolonizacije različnih okolij. Na vseh vrstah tal ga je mogoče izolirati. Ima široko geografsko razširjenost, ki so jo našli celo na Antarktiki, enem najbolj sovražnih okolij na planetu.

Ima aktivno presnovo in lahko fermentira ogljikove hidrate, kot so glukoza, fruktoza, riboza, maltoza in trehaloza. Hidrolizira lahko tudi škrob, želatino, glikogen in N-acetil-glukozamin.

V istem venu je Bacillus thuringiensis pozitiven na katalaze, saj lahko razkroji vodikov peroksid v vodo in kisik.

Ko je bila gojena na gojišču krvnega agarja, smo opazili vzorec beta hemolize, kar pomeni, da lahko ta bakterija popolnoma uniči eritrocite.

Glede na svoje okoljske potrebe za rast potrebuje temperaturno območje od 10 - 15 ° C do 40 -45 ° C. Podobno je njen optimalni pH med 5,7 in 7.

Bacillus thuringiensis je stroga aerobna bakterija. Biti mora v okolju z veliko razpoložljivostjo kisika.

Posebna značilnost bakterije Bacillus thuringiensis je, da med postopkom sporalacije tvori kristale, ki jih sestavlja protein, znan kot delta toksin. Znotraj teh dveh skupin sta bili opredeljeni: Cry in Cyt.

Ta strup lahko povzroči smrt nekaterih žuželk, ki so pravi škodljivci za različne vrste poljščin.

Življenski krog

B. thuringiensis ima življenjski cikel z dvema fazama: za eno je značilna vegetativna rast, druga pa s sporulacijo. Prvi od njih se pojavlja v ugodnih pogojih za razvoj, kot so okolja, bogata s hranili, drugi v neugodnih razmerah, s pomanjkanjem prehranskih substratov.

Ličinke žuželk, kot so metulji, hrošči ali muhe, med drugim, ko se hranijo z listi, plodovi ali drugimi deli rastline, lahko zaužijejo endospore bakterije B. thuringiensis.

V prebavnem traktu žuželke se zaradi alkalnih lastnosti kristalizirani protein bakterije raztopi in aktivira. Protein se veže na receptor na črevesnih celicah žuželke in tvori pore, ki vplivajo na ravnovesje elektrolitov in povzročijo smrt žuželke.

Tako bakterija uporablja tkiva mrtve žuželke za svoje hranjenje, razmnoževanje in tvorjenje novih sporov, ki bodo okužile nove gostitelje.

Toksin

Toksini, ki jih proizvaja B. thuringiensis, imajo pri nevretenčarjih zelo specifično delovanje in so pri vretenčarjih neškodljivi. Parasporalne vključitve vrste B. thuringensis imajo različne beljakovine z raznolikim in sinergističnim delovanjem.

B. thuringienisis ima več dejavnikov virulence, ki poleg delta endotoksinov Cry in Cyt vključujejo še nekatere alfa in beta eksotoksine, hitinaze, enterotoksine, fosfolipaze in hemolizine, ki povečujejo njegovo učinkovitost kot entomopatogena.

Strupeni beljakovinski kristali vrste B. thuringiensis se razgradijo v tleh z mikrobnim delovanjem in jih lahko denaturiramo s pojavljanjem sončnega sevanja.

Uporaba pri zatiranju škodljivcev

Entomopatogeni potencial bakterije Bacillus thuringiensis se že več kot 50 let močno izkorišča pri zaščiti pridelkov.

Zahvaljujoč razvoju biotehnologije in napredku na tem področju je bilo mogoče to strupeno delovanje uporabiti po dveh glavnih poteh: proizvodnji pesticidov, ki se uporabljajo neposredno na pridelkih, in ustvarjanju transgenih živil.

Mehanizem delovanja toksina

Da bi razumeli pomen te bakterije pri zatiranju škodljivcev, je pomembno vedeti, kako toksin napada insektino telo.

Njegov mehanizem delovanja je razdeljen na štiri stopnje:

Solubilizacija in predelava protoksina : kristali, ki jih zaužijejo ličinke žuželk, se raztopijo v črevesju. Z delovanjem prisotnih proteaz se transformirajo v aktivne toksine. Ti toksini prečkajo tako imenovano peritrofno membrano (zaščitno membrano celic črevesnega epitelija).

Vezanje na receptorje : toksini se vežejo na specifična mesta, ki se nahajajo v mikrovilu črevesnih celic žuželke.

Vstavljanje v membrano in tvorjenje por : Cry proteini se vstavijo v membrano in povzročijo popolno uničenje tkiva s tvorbo ionskih kanalov.

Citoliza : smrt črevesnih celic. To se dogaja prek več mehanizmov, najbolj znana sta osmotska citoliza in inaktivacija sistema, ki vzdržuje ravnovesje pH.

Bacillus thuringiensis

Ko je bil preverjen toksični učinek beljakovin, ki jih bakterije proizvajajo, smo preučili njihovo potencialno uporabo pri zatiranju škodljivcev na poljščinah.

Izvedenih je bilo veliko raziskav za določitev pesticidnih lastnosti toksina, ki ga proizvajajo te bakterije. Zaradi pozitivnih rezultatov teh raziskav je Bacillus thuringiensis postal najbolj razširjen biološki insekticid po vsem svetu za zatiranje škodljivcev, ki škodujejo in negativno vplivajo na različne kulture.

Vir: Pixabay.com

Bioinsekticidi na osnovi Bacillus thuringiensis so se sčasoma razvili. Od prvih, ki so vsebovale samo spore in kristale, do tistih, znanih kot tiste iz tretje generacije, ki vsebujejo rekombinantne bakterije, ki tvorijo bt toksin in imajo prednosti, kot je doseganje rastlinskih tkiv.

Pomen toksina, ki ga proizvaja ta bakterija, je, da ni učinkovit le proti žuželkam, ampak tudi proti drugim organizmom, kot so ogorčice, protozoji in trematode.

Pomembno je razjasniti, da je ta strup popolnoma neškodljiv pri drugih vrstah živih bitij, kot so vretenčarji, ki spadajo v skupino ljudi. To je zato, ker notranje razmere prebavnega sistema niso idealne za njegovo širjenje in učinek.

Bacillus thuringiensis

Zahvaljujoč tehnološkemu napredku, zlasti razvoju rekombinantne DNK tehnologije, je bilo mogoče ustvariti rastline, ki so genetsko imune na vpliv žuželk, ki pustošijo na pridelkih. Te rastline so splošno znane kot transgena hrana ali gensko spremenjeni organizmi.

Ta tehnologija je sestavljena iz prepoznavanja v genomu bakterije zaporedja genov, ki kodirajo ekspresijo strupenih beljakovin. Ti geni se kasneje prenesejo v genom rastline, ki jo je treba zdraviti.

Ko rastlina raste in se razvija, začne sintetizirati toksin, ki ga je prej proizvajal Bacillus thuringiensis, nato pa je imunski na delovanje žuželk.

Teh tehnologij je bilo uporabljenih več obratov. Med njimi so koruza, bombaž, krompir in soja. Ti pridelki so znani kot bt koruza, bt bombaž itd.

Seveda so ta transgena hrana v populaciji vzbudila nekaj skrbi. Vendar pa je bilo v poročilu ameriške agencije za okolje ugotovljeno, da ta živila do danes niso pokazala nobene strupenosti ali škode, ne pri ljudeh niti pri višjih živalih.

Vplivi na žuželke

Kristali bakterije B. thuringiensis se raztopijo v črevesju žuželke z visokim pH in protoksini ter se sproščajo drugi encimi in beljakovine. Tako protoksini postanejo aktivni toksini, ki se vežejo na posebne molekule receptorjev na črevesnih celicah.

Toksin B. thuringiensis povzroči prenehanje zaužitja žuželk, paralizo črevesja, bruhanje, neravnovesja v izločanju, osmotsko dekompenzacijo, splošno paralizo in končno smrt.

Zaradi delovanja toksina v črevesnem tkivu nastanejo resne poškodbe, ki onemogočajo njegovo delovanje, kar vpliva na asimilacijo hranil.

Črevesje bakterije Caenorhabditis elegans, okuženo z bakterijo Bacillus thuringiensis. Vir: www.researchgate.net

Šteje se, da bi smrt žuželke lahko povzročila kalitev spore in širjenje vegetativnih celic v hemoceli žuželke.

Vendar velja, da bi bila smrtnost bolj odvisna od delovanja kommenzalnih bakterij, ki živijo v črevesju žuželke, in da bi po delovanju toksina B. thuringiensis lahko povzročili septikemijo.

Toksin B. thuringiensis ne vpliva na vretenčarje, ker prebava hrane v slednjih poteka v kislem okolju, kjer se toksin ne aktivira.

Izstopa njegova visoka specifičnost pri žuželkah, še posebej znana po Lepidoptera. Šteje se za neškodljivo za večino entomofavne in nima škodljivega delovanja na rastline, torej ni fitotoksično.

Reference

1. Hoffe, H. in Whiteley, H. (1989, junij). Insekticidni kristalni proteini bakterije Bacillus thuringiensis. Mikrobiološki pregled. 53 (2). 242-255.
2. Martin, P. in Travers, R. (1989, oktober). Po vsem svetu številčnost in razširjenost uporabne bakterije Bacillus thuringiensis in okoljska mikrobiologija. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. in Yeon, H. (2007) Bacillus thuringiensis kot posebno, varno in učinkovito orodje za zatiranje škodljivcev žuželk. Časopis za mikrobiologijo in biotehnologijo.17 (4). 547-559
4. Sauka, D. in Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: splošnosti. Pristop k njegovi uporabi v biokontroli lepidopteranskih žuželk, ki so kmetijski škodljivci. Argentinski časopis za mikrobiologijo. 40. 124–140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D., in Dean H. (1998, September). Bacillus thuringiensis in njegovi pesticidni kristalni proteini. Pregled mikrobiologije in molekularne biologije. 62 (3). 775-806.
6. Villa, E., Parrá, F., Cira, L. in Villalobos, S. (2018, januar). Rod Bacillus kot biološki nadzorni dejavniki in njihove posledice za biološko varnost v kmetijstvu. Mehiški časopis za fitopatologijo. Spletna publikacija.