BACILLUS THURINGIENSIS: RAKSTUROJUMS, MORFOLOĢIJA, DZĪVES CIKLS - BIOLOĢIJA - 2025

Bacillus thuringiensis ir baktērija, kas pieder lielai grampozitīvo baktēriju grupai, dažas patogēnas un citas pilnīgi nekaitīgas. Tā ir viena no baktērijām, kas visvairāk pētīta, ņemot vērā tās noderīgumu lauksaimniecībā.

Šī lietderība slēpjas faktā, ka šai baktērijai ir īpatnība sporulācijas fāzē ražot kristālus, kas satur olbaltumvielas, kas izrādās toksiskas dažiem kukaiņiem, kas ir īsti kultūraugu kaitēkļi.

B. thuringiensis toksīna kristāli. Džims Bakmens ir ieskaitīts, un sākotnējais augšupielādētājs ir PRJohnston. (w: lv: attēls: Bacillus thuringiensis.JPG), izmantojot Wikimedia Commons

Starp izcilākajām Bacillus thuringiensis īpašībām var minēt tās augsto specifiskumu, nekaitīgumu cilvēkiem, augiem un dzīvniekiem, kā arī minimālo atlikumu. Šie atribūti ļāva tai sevi pozicionēt kā vienu no labākajiem variantiem kaitēkļu ārstēšanai un kontrolei, kas skāra ražas.

Šīs baktērijas veiksmīgā izmantošana kļuva redzama 1938. gadā, kad parādījās pirmais pesticīds, kas ražots ar tā sporām. Kopš tā laika vēsture ir bijusi ilga, un caur to Bacillus thuringiensis ir ratificēts kā viens no labākajiem variantiem lauksaimniecības kaitēkļu apkarošanā.

Taksonomija

Bacillus thuringiensis taksonomiskā klasifikācija ir šāda:

Domēns: baktērijas

Patvērums: Firmicutes

Klase: Bacilli

Pasūtījums: Bacillales

Ģimene: Bacillaceae

Ģints: Bacillus

Suga: Bacillus thuringiensis

Morfoloģija

Tās ir stieņa formas baktērijas ar noapaļotiem galiem. Tie attēlo caurspīdīgu flagellācijas modeli ar flagella izkliedētu pa visu šūnas virsmu.

Tā izmēri ir 3-5 mikroni garš un 1-1,2 mikronu plats. Viņu eksperimentālajās kultūrās novēro apaļas kolonijas ar diametru 3–8 mm ar regulārām malām un “slīpēta stikla” izskatu.

Novērojot elektronu mikroskopā, novēro tipiskas iegarenas šūnas, kuras apvieno īsās ķēdēs.

Šī baktēriju suga rada sporas, kurām ir raksturīga elipsoidāla forma un kuras atrodas šūnas centrālajā daļā, neizraisot tās deformāciju.

Vispārīgais raksturojums

Pirmkārt, Bacillus thuringiensis ir grampozitīva baktērija, kas nozīmē, ka, pakļaujot Gram krāsošanas procesam, tā iegūst violetu krāsu.

Tāpat tā ir baktērija, kurai raksturīga spēja kolonizēt dažādas vides. Ir bijis iespējams to izolēt visu veidu augsnēs. Tam ir plašs ģeogrāfiskais izplatība, tas ir atrasts pat Antarktīdā, vienā no visnaidīgākajām vidēm uz planētas.

Tam ir aktīva vielmaiņa, kas spēj raudzēt ogļhidrātus, piemēram, glikozi, fruktozi, ribozi, maltozi un trehalozi. Tas var arī hidrolizēt cieti, želatīnu, glikogēnu un N-acetilglikozamīnu.

Tajā pašā vēnā Bacillus thuringiensis ir katalāzes pozitīvs, spējot sadalīt ūdeņraža peroksīdu ūdenī un skābeklī.

Kad to audzē uz asins agara barotnes, tika novērots beta hemolīzes process, kas nozīmē, ka šī baktērija spēj pilnībā iznīcināt eritrocītus.

Ņemot vērā vides prasības augšanai, tai nepieciešama temperatūra no 10 līdz 15 ° C līdz 40 - 45 ° C. Tāpat tā optimālais pH ir no 5,7 līdz 7.

Bacillus thuringiensis ir stingra aeroba baktērija. Tam jāatrodas vidē, kurā ir pietiekami daudz skābekļa.

Bacillus thuringiensis īpatnība ir tā, ka sporulācijas procesā tas rada kristālus, kas sastāv no olbaltumvielām, kuras sauc par delta toksīnu. Šajās divās grupās ir noteiktas: Cry un Cyt.

Šis toksīns var izraisīt noteiktu kukaiņu nāvi, kas ir īsti kaitēkļi dažādu veidu kultūrām.

Dzīves cikls

B. thuringiensis dzīves cikls ir divas fāzes: vienai no tām raksturīga veģetatīvā augšana, otrai - sporulācija. Pirmais no tiem notiek labvēlīgos attīstības apstākļos, piemēram, vidē, kas bagāta ar barības vielām, otrā - nelabvēlīgos apstākļos ar pārtikas substrāta trūkumu.

Kukaiņu, piemēram, tauriņu, vaboļu vai mušu, kāpuri, barojot ar lapām, augļiem vai citām augu daļām, cita starpā, var uzņemt baktērijas B. thuringiensis endosporas.

Kukaiņa gremošanas traktā, pateicoties tā sārmainajām īpašībām, baktērijas kristalizētais proteīns tiek izšķīdināts un aktivizēts. Olbaltumviela saistās ar receptoru uz kukaiņu zarnu šūnām, veidojot poras, kas ietekmē elektrolītu līdzsvaru, izraisot kukaiņu nāvi.

Tādējādi baktērija izmanto mirušā kukaiņa audus barošanai, pavairošanai un jaunu sporu veidošanai, kas inficēs jaunos saimniekus.

Toksīns

B. thuringiensis ražotajiem toksīniem ir ļoti specifiska iedarbība uz bezmugurkaulniekiem un tie ir nekaitīgi mugurkaulniekiem. Parasporal B. thuringensis ieslēgumiem ir dažādi proteīni ar daudzveidīgu un sinerģisku aktivitāti.

B. thuringienisis ir dažādi virulences faktori, kas papildus delta endotoksīniem Cry un Cyt ietver noteiktus alfa un beta eksotoksīnus, hitināzes, enterotoksīnus, fosfolipāzes un hemolizīnus, kas palielina tā kā entomopatogēna efektivitāti.

B. thuringiensis toksisko olbaltumvielu kristāli noārdās augsnē ar mikrobu iedarbību, un tos var denaturēt, pateicoties saules starojuma iedarbībai.

Izmantošana kaitēkļu apkarošanā

Bacillus thuringiensis entomopatogēniskais potenciāls kultūraugu aizsardzībā ir ticis izmantots vairāk nekā 50 gadus.

Pateicoties biotehnoloģijas attīstībai un sasniegumiem tajā, šo toksisko efektu ir bijis iespējams izmantot divos galvenajos veidos: pesticīdu ražošanā, kurus tieši izmanto kultūrām, un transgēnu pārtikas radīšanā.

Toksīna darbības mehānisms

Lai saprastu šīs baktērijas nozīmi kaitēkļu apkarošanā, ir svarīgi zināt, kā toksīns uzbrūk kukaiņu ķermenim.

Tās darbības mehānisms ir sadalīts četros posmos:

Raudāto protoksīnu šķīdināšana un apstrāde : kukaiņu kāpuru uzņemtie kristāli zarnās izšķīst. Darbībā esošās proteāzes tiek pārveidotas par aktīviem toksīniem. Šie toksīni šķērso tā saucamo peritrofo membrānu (zarnu epitēlija šūnu aizsargājošo membrānu).

Saistīšanās ar receptoriem : toksīni saistās ar īpašām vietām, kas atrodas kukaiņu zarnu šūnu mikroviļņos.

Ievietošana membrānā un poru veidošanās : Raud olbaltumvielas ievieto membrānā un izraisa pilnīgu audu iznīcināšanu, veidojot jonu kanālus.

Citolīze : zarnu šūnu nāve. Tas notiek, izmantojot vairākus mehānismus, no kuriem visizplatītākais ir osmotiskā citolīze un sistēmas, kas uztur pH līdzsvaru, inaktivācija.

Bacillus thuringiensis

Kad tika pārbaudīta baktēriju ražoto olbaltumvielu toksiskā iedarbība, tika pētīta to iespējamā izmantošana kaitēkļu apkarošanā kultūrās.

Ir veikti daudzi pētījumi, lai noteiktu šo baktēriju ražotā toksīna pesticīdās īpašības. Sakarā ar šo pētījumu pozitīvajiem rezultātiem Bacillus thuringiensis ir kļuvis par visplašāk izmantoto bioloģisko insekticīdu visā pasaulē, lai kontrolētu kaitēkļus, kas bojā un negatīvi ietekmē dažādas kultūras.

Avots: Pixabay.com

Laika gaitā ir attīstījušies Bacillus thuringiensis bāzes bioinsekticīdi. Sākot no pirmajiem, kas saturēja tikai sporas un kristālus, līdz trešās paaudzes baktērijām, kas satur rekombinantās baktērijas, kas rada bt toksīnu, un kurām ir tādas priekšrocības kā nokļūšana augu audos.

Šīs baktērijas ražotā toksīna nozīme ir tajā, ka tas ir efektīvs ne tikai pret kukaiņiem, bet arī pret citiem organismiem, piemēram, nematodēm, vienšūņiem un trematodiem.

Ir svarīgi precizēt, ka šis toksīns ir pilnīgi nekaitīgs cita veida dzīvām būtnēm, piemēram, mugurkaulniekiem, grupai, kurai pieder cilvēki. Tas notiek tāpēc, ka gremošanas sistēmas iekšējie apstākļi nav ideāli tās pavairošanai un iedarbībai.

Bacillus thuringiensis

Pateicoties tehnoloģiskajam progresam, it īpaši rekombinantās DNS tehnoloģijas attīstībai, ir bijis iespējams radīt augus, kas ir ģenētiski imūni pret tādu kukaiņu iedarbību, kuri nodara postījumus kultūrām. Šie augi parasti ir pazīstami kā transgēna pārtika vai ģenētiski modificēti organismi.

Šī tehnoloģija sastāv no baktērijas genoma identifikācijas gēnu secībā, kas kodē toksisko olbaltumvielu ekspresiju. Šie gēni vēlāk tiek pārnesti uz apstrādājamā auga genomu.

Kad augs aug un attīstās, tas sāk sintezēt toksīnu, ko iepriekš ražoja Bacillus thuringiensis, pēc tam būdams imūns pret kukaiņu darbību.

Ir vairākas ražotnes, kurās šī tehnoloģija tika izmantota. Starp tiem ir kukurūza, kokvilna, kartupeļi un sojas pupas. Šīs kultūras ir pazīstamas kā bt kukurūza, bt kokvilna utt.

Protams, šie transgēnie pārtikas produkti ir radījuši zināmas bažas iedzīvotājiem. Tomēr Amerikas Savienoto Valstu Vides aģentūras publicētajā ziņojumā tika noteikts, ka šie pārtikas produkti līdz šim nav parādījuši nekādu toksicitāti vai kaitējumu ne cilvēkiem, ne augstākiem dzīvniekiem.

Ietekme uz kukaiņu

B. thuringiensis kristāli izšķīst kukaiņu zarnās ar augstu pH un protoksīniem, un izdalās citi fermenti un olbaltumvielas. Tādējādi protoksīni kļūst par aktīviem toksīniem, kas saistās ar specializētām receptoru molekulām uz zarnu šūnām.

B. thuringiensis toksīns rodas, pārtraucot kukaiņu uzņemšanu, zarnu paralīzi, vemšanu, līdzsvara izdalīšanos, osmotisko dekompensāciju, vispārējo paralīzi un visbeidzot nāvi.

Sakarā ar toksīna darbību zarnu audos rodas nopietni bojājumi, kas kavē to darbību, ietekmējot barības vielu asimilāciju.

Zarnas no 'Caenorhabditis elegans', kas inficētas ar 'Bacillus thuringiensis'. Avots: www.researchgate.net

Tiek uzskatīts, ka kukaiņu nāvi varētu izraisīt sporas dīgšana un veģetatīvo šūnu proliferācija kukaiņu hemocele.

Tomēr tiek uzskatīts, ka mirstība vairāk būs atkarīga no kommensālo baktēriju darbības, kas dzīvo kukaiņu zarnās, un ka pēc B. thuringiensis toksīna darbības tās varētu izraisīt septicēmiju.

B. thuringiensis toksīns neietekmē mugurkaulniekus, jo barības sagremošana pēdējos notiek skābā vidē, kur toksīns nav aktivizēts.

Izceļas ar augsto specifiskumu kukaiņiem, kas īpaši pazīstams ar Lepidoptera. To uzskata par nekaitīgu lielākajai daļai entomofaunas un tai nav kaitīgas iedarbības uz augiem, tas ir, tas nav fitotoksisks.

Atsauces

1. Hoffe, H. un Whiteley, H. (1989, jūnijs). Bacillus thuringiensis insekticīdie kristālu proteīni. Mikrobioloģiskais pārskats. 53 (2). 242–255.
2. Martins, P. un Traverss, R. (1989, oktobris). Bacillus thuringiensis lietišķās un vides mikrobioloģijas bagātība un izplatība visā pasaulē. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. un Yeon, H. (2007). Bacillus thuringiensis kā specifisks, drošs un efektīvs līdzeklis kukaiņu apkarošanai. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas žurnāls, 17. (4). 547–559
4. Sauka, D. un Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: vispārinājumi. Pieeja tās izmantošanai bioloģiski kontrolējamo kukaiņu, kas ir lauksaimniecības kaitēkļi, biokontrolē. Argentīnas mikrobioloģijas žurnāls. 40. 124.-140
5. Šnefs, E., Krikmors, N., Van Rijs, J., Lerekluss, D., Baums, J., Feitelsons, J., Zeiglers, D. un Deans H. (1998, septembris). Bacillus thuringiensis un tā pesticīdu kristālu proteīns. Mikrobioloģijas un molekulārās bioloģijas pārskati. 62 (3). 775-806.
6. Villa, E., Parrá, F., Cira, L. un Villalobos, S. (2018, janvāris). Bacillus ģints kā bioloģiskās kontroles līdzekļi un to ietekme uz lauksaimniecības bioloģisko drošību. Meksikas fitopatoloģijas žurnāls. Tiešsaistes publikācija.