BACILLUS THURINGIENSIS: CHARAKTERISTIKA, MORFOLÓGIA, ŽIVOTNÝ CYKLUS - BIOLÓGIE - 2025

Bacillus thuringiensis je baktéria, ktorá patrí do veľkej skupiny grampozitívnych baktérií, niektorých patogénnych a iných úplne neškodných. Je to jedna z baktérií, ktorá bola študovaná najviac kvôli jej užitočnosti v poľnohospodárstve.

Táto užitočnosť spočíva v skutočnosti, že táto baktéria má zvláštnosť produkovať kryštály počas svojej sporulačnej fázy, ktoré obsahujú proteíny, ktoré sa ukazujú byť toxické pre určitý hmyz, ktorý predstavuje skutočných škodcov pre plodiny.

Kryštály toxínu B. thuringiensis. Autor: Jim Buckman je pripočítaný a pôvodným používateľom, ktorý odovzdal video, je PRJohnston. (w: en: Obrázok: Bacillus thuringiensis.JPG) prostredníctvom Wikimedia Commons

Medzi najvýznamnejšie vlastnosti Bacillus thuringiensis patrí vysoká špecifickosť, jeho neškodnosť pre človeka, rastliny a zvieratá, ako aj minimálna rezidencia. Tieto atribúty mu umožnili umiestniť sa ako jedna z najlepších možností na ošetrenie a kontrolu škodcov, ktorí trápili plodiny.

Úspešné použitie tejto baktérie sa prejavilo v roku 1938, keď sa objavil prvý pesticíd vyrobený so spórami. Odvtedy bola história dlhá a vďaka nej bola Bacillus thuringiensis ratifikovaná ako jedna z najlepších možností kontroly poľnohospodárskych škodcov.

taxonómie

Taxonomická klasifikácia Bacillus thuringiensis je:

Doména: Baktérie

Phylum: Firmicutes

Trieda: Bacilli

Objednať: Bacillales

Rodina: Bacillaceae

Rod: Bacillus

Druh: Bacillus thuringiensis

morfológia

Sú to tyčinkovité baktérie so zaoblenými koncami. Predstavujú pertrický bičíkovitý obrazec, ktorého bičíky sú rozložené po celom povrchu bunky.

Má rozmery 3 až 5 mikrónov dlhé a šírky 1 až 1,2 mikrónu. Vo svojich experimentálnych kultúrach sa pozorujú kruhové kolónie s priemerom 3 až 8 mm, s pravidelnými okrajmi a vzhľadom „brúseného skla“.

Pri pozorovaní pod elektrónovým mikroskopom sa pozorujú typické pretiahnuté bunky spojené v krátkych reťazcoch.

Tento druh baktérie vytvára spóry, ktoré majú charakteristický elipsoidálny tvar a sú umiestnené v centrálnej časti bunky bez toho, aby spôsobili jej deformáciu.

Všeobecné charakteristiky

Po prvé, Bacillus thuringiensis je gram-pozitívna baktéria, čo znamená, že keď sa podrobí procesu farbenia Gramom, získa fialovú farbu.

Rovnako je to baktéria charakterizovaná svojou schopnosťou kolonizovať rôzne prostredia. Bolo možné ho izolovať na všetkých druhoch pôdy. Má široké geografické rozšírenie, ktoré bolo nájdené dokonca aj v Antarktíde, jednom z najnehostelnejších prostredí planéty.

Má aktívny metabolizmus, je schopný fermentovať uhľohydráty, ako je glukóza, fruktóza, ribóza, maltóza a trehalóza. Môže tiež hydrolyzovať škrob, želatínu, glykogén a N-acetylglukozamín.

V rovnakom duchu je Bacillus thuringiensis pozitívny na katalázu a je schopný rozložiť peroxid vodíka na vodu a kyslík.

Keď sa kultivoval v krvnom agarovom médiu, pozoroval sa vzorec beta hemolýzy, čo znamená, že táto baktéria je schopná úplne zničiť erytrocyty.

Pokiaľ ide o environmentálne požiadavky na rast, vyžaduje sa teplota v rozmedzí 10 - 15 ° C až 40 - 45 ° C. Podobne jeho optimálne pH je medzi 5,7 a 7.

Bacillus thuringiensis je prísna aeróbna baktéria. Musí byť v prostredí s dostatočnou dostupnosťou kyslíka.

Charakteristickou vlastnosťou Bacillus thuringiensis je to, že počas procesu sporulácie vytvára kryštály tvorené proteínom známym ako delta toxín. V rámci týchto dvoch skupín boli identifikované: Cry a Cyt.

Tento toxín je schopný spôsobiť smrť určitých druhov hmyzu, ktoré sú pravými škodcami pre rôzne druhy plodín.

Životný cyklus

B. thuringiensis má životný cyklus s dvoma fázami: jednu z nich charakterizuje vegetatívny rast, druhú sporuláciu. Prvý z nich sa vyskytuje v priaznivých podmienkach pre vývoj, ako sú prostredie bohaté na živiny, druhý v nepriaznivých podmienkach, s nedostatkom potravinového substrátu.

Larvy hmyzu, ako sú motýle, chrobáky alebo muchy, okrem iného, ​​keď sa kŕmia listami, ovocím alebo inými časťami rastliny, môžu prehltnúť endospóry baktérie B. thuringiensis.

V tráviacom trakte hmyzu sa kryštalický proteín baktérie vďaka svojim zásaditým vlastnostiam rozpustí a aktivuje. Proteín sa viaže na receptor v črevných bunkách hmyzu a vytvára póry, ktoré ovplyvňujú rovnováhu elektrolytov, čo spôsobuje smrť hmyzu.

Baktéria teda využíva tkanivá mŕtvych hmyzov na kŕmenie, množenie a tvorbu nových spór, ktoré infikujú nových hostiteľov.

toxín

Toxíny produkované B. thuringiensis majú veľmi špecifický účinok na bezstavovcoch a sú neškodné na stavovcoch. Parasporálne inklúzie B. thuringensis majú rôzne proteíny s rôznou a synergickou aktivitou.

B. thuringienisis má rôzne faktory virulencie, ktoré zahŕňajú okrem endotoxínov delta Cry a Cyt určité alfa a beta exotoxíny, chitinázy, enterotoxíny, fosfolipázy a hemolyzíny, ktoré zvyšujú jeho účinnosť ako entomopatogén.

Toxické proteínové kryštály B. thuringiensis sa degradujú v pôde mikrobiálnym pôsobením a môžu sa denaturovať pôsobením slnečného žiarenia.

Použitie pri kontrole škodcov

Entomopatogénny potenciál Bacillus thuringiensis sa pri ochrane plodín vyše 50 rokov vysoko využíva.

Vďaka vývoju biotechnológií a pokroku v tejto oblasti bolo možné tento toxický účinok využiť dvoma hlavnými cestami: výrobou pesticídov, ktoré sa používajú priamo na plodiny, a vytváraním transgénnych potravín.

Mechanizmus účinku toxínu

Aby sme pochopili dôležitosť tejto baktérie pri kontrole škodcov, je dôležité vedieť, ako toxín napadá telo hmyzu.

Jeho mechanizmus účinku je rozdelený do štyroch etáp:

Solubilizácia a spracovanie kryxových protoxínov : kryštály požité larvami hmyzu sa rozpustia v čreve. Pôsobením prítomných proteáz sa transformujú na aktívne toxíny. Tieto toxíny prechádzajú tzv. Peritrofickou membránou (ochranná membrána buniek intestinálneho epitelu).

Väzba na receptory : toxíny sa viažu na konkrétne miesta, ktoré sa nachádzajú v mikroville črevných buniek hmyzu.

Vloženie do membrány a tvorba pórov : Cry proteíny sa vkladajú do membrány a spôsobujú úplnú deštrukciu tkaniva tvorbou iónových kanálov.

Cytolýza : smrť črevných buniek. K tomu dochádza prostredníctvom niekoľkých mechanizmov, z ktorých najznámejšou je osmotická cytolýza a inaktivácia systému, ktorý udržuje rovnováhu pH.

Bacillus thuringiensis

Po overení toxického účinku proteínov produkovaných baktériami sa študovalo ich potenciálne použitie pri kontrole škodcov v plodinách.

Uskutočnilo sa veľa štúdií na stanovenie pesticídnych vlastností toxínu produkovaného týmito baktériami. Vďaka pozitívnym výsledkom týchto výskumov sa Bacillus thuringiensis stal najpoužívanejším biologickým insekticídom na celom svete na ničenie škodcov, ktorí poškodzujú a negatívne ovplyvňujú rôzne plodiny.

Zdroj: Pixabay.com

V priebehu času sa vyvinuli bioinsekticídy na báze Bacillus thuringiensis. Od prvých, ktoré obsahovali iba spóry a kryštály, až po tie, ktoré sú známe ako tie tretej generácie, ktoré obsahujú rekombinantné baktérie, ktoré vytvárajú toxín bt, a ktoré majú výhody, ako je dosiahnutie rastlinných tkanív.

Význam toxínu produkovaného touto baktériou je, že je účinný nielen proti hmyzu, ale aj proti iným organizmom, ako sú nematódy, prvoky a trematódy.

Je dôležité objasniť, že tento toxín je úplne neškodný pri iných druhoch živých bytostí, ako sú stavovce, skupina, do ktorej ľudia patria. Je to tak preto, že vnútorné podmienky tráviaceho systému nie sú ideálne pre jeho množenie a účinok.

Bacillus thuringiensis

Vďaka technologickému pokroku, najmä vývoju technológie rekombinantnej DNA, bolo možné vytvoriť rastliny, ktoré sú geneticky odolné voči účinkom hmyzu, ktorý spôsobuje zmätok na plodinách. Tieto rastliny sú všeobecne známe ako transgénne potraviny alebo geneticky modifikované organizmy.

Táto technológia spočíva v identifikácii v genóme baktérie sekvencie génov, ktoré kódujú expresiu toxických proteínov. Tieto gény sa neskôr prenesú do genómu rastliny, ktorá sa má ošetriť.

Keď rastlina rastie a vyvíja sa, začína syntetizovať toxín, ktorý bol predtým produkovaný baktériou Bacillus thuringiensis, ktorá je potom imunná voči pôsobeniu hmyzu.

Existuje niekoľko závodov, v ktorých bola táto technológia použitá. Medzi ne patrí kukurica, bavlna, zemiaky a sójové bôby. Tieto plodiny sú známe ako bt kukurica, bt bavlna atď.

Tieto transgénne potraviny samozrejme vyvolali v populácii určité obavy. V správe uverejnenej Agentúrou Spojených štátov pre životné prostredie sa však zistilo, že tieto potraviny doteraz nepreukázali žiadny druh toxicity alebo poškodenia ani u ľudí, ani u vyšších zvierat.

Účinky na hmyz

Kryštály B. thuringiensis sa rozpúšťajú v čreve hmyzu s vysokým pH a protoxíny a uvoľňujú sa ďalšie enzýmy a proteíny. Protoxíny sa tak stávajú aktívnymi toxínmi, ktoré sa viažu na špecializované receptorové molekuly na bunkách čreva.

Toxín ​​B. thuringiensis produkuje pri zastavení požitia hmyzu, ochrnutí čriev, zvracaní, nevyváženosti pri vylučovaní, osmotickej dekompenzácii, všeobecnej ochrnutí a nakoniec smrti.

V dôsledku pôsobenia toxínu dochádza v črevnom tkanive k vážnemu poškodeniu, ktoré bráni jeho fungovaniu a ovplyvňuje vstrebávanie živín.

Črevo „Caenorhabditis elegans“ infikované „Bacillus thuringiensis“. Zdroj: www.researchgate.net

Uvažovalo sa, že smrť hmyzu by mohla byť spôsobená klíčením spór a množením vegetatívnych buniek v hmyzej hemocele.

Predpokladá sa však, že úmrtnosť bude viac závisieť od pôsobenia komenzálnych baktérií, ktoré žijú v čreve hmyzu, a že po pôsobení toxínu B. thuringiensis by boli schopné spôsobiť septikémiu.

Toxín ​​B. thuringiensis neovplyvňuje stavovce, pretože trávenie potravy v nich nastáva v kyslom prostredí, kde sa toxín neaktivuje.

Vyznačuje sa vysokou špecifickosťou hmyzu, zvlášť známou pre Lepidoptera. Je považovaný za neškodný pre väčšinu entomofauny a nemá škodlivé účinky na rastliny, to znamená, že nie je fytotoxický.

Referencie

1. Hoffe, H. and Whiteley, H. (1989, jún). Insekticídne kryštálové proteíny Bacillus thuringiensis. Mikrobiologický prehľad. 53 (2). 242-255.
2. Martin, P. a Travers, R. (1989, október). Celosvetová hojnosť a distribúcia aplikovanej Bacillus thuringiensis a mikrobiológia životného prostredia. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. a Yeon, H. (2007), Bacillus thuringiensis ako špecifický, bezpečný a účinný nástroj na ničenie škodcov. Journal of Microbiology and Biotechnology. 17 (4). 547-559
4. Sauka, D. a Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: všeobecné údaje. Prístup k jeho použitiu pri biologickej kontrole hmyzu lepidopteranu, ktorý je poľnohospodárskym škodcom. Argentínsky vestník mikrobiológie. 40. 124 až 140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D. a Dean H. (1998, september). Bacillus thuringiensis a jeho pesticídny kryštálový proteín. Recenzie mikrobiológie a molekulárnej biológie. 62 (3). 775-806.
6. Villa E., Parrá, F., Cira, L. a Villalobos, S. (2018, január). Rod Bacillus ako činidlá biologickej kontroly a ich dôsledky na poľnohospodársku biologickú bezpečnosť. Mexický denník fytopatológie. Online publikácia.