BACILLUS THURINGIENSIS: CHARAKTERISTIKA, MORFOLOGIE, ŽIVOTNÍ CYKLUS - BIOLOGIE - 2025

Bacillus thuringiensis je bakterie, která patří do velké skupiny grampozitivních bakterií, některých patogenních a jiných zcela neškodných. Je to jedna z bakterií, která byla studována nejvíce kvůli její užitečnosti v zemědělství.

Tato užitečnost spočívá ve skutečnosti, že tato bakterie má ve své sporulační fázi zvláštnost produkce krystalů, které obsahují proteiny, které se u některých hmyzů, které jsou skutečnými škůdci plodin, stanou toxickými.

Krystaly toxinu B. thuringiensis. Jim Buckman je připsán a původním uploaderem je PRJohnston. (w: en: Image: Bacillus thuringiensis.JPG), přes Wikimedia Commons

Mezi nejvýznamnější vlastnosti Bacillus thuringiensis patří jeho vysoká specifičnost, jeho neškodnost pro člověka, rostliny a zvířata, jakož i jeho minimální bydliště. Tyto atributy jí umožnily umístit se jako jedna z nejlepších možností pro ošetření a kontrolu škůdců, kteří trápili plodiny.

Úspěšné použití této bakterie se projevilo v roce 1938, kdy se objevil první pesticid vyrobený se svými spory. Od té doby byla historie dlouhá a skrze ni byla Bacillus thuringiensis ratifikována jako jedna z nejlepších možností kontroly zemědělských škůdců.

Taxonomie

Taxonomická klasifikace Bacillus thuringiensis je:

Doména: Bakterie

Phylum: Firmicutes

Třída: Bacilli

Pořadí: Bacillales

Rodina: Bacillaceae

Rod: Bacillus

Druh: Bacillus thuringiensis

Morfologie

Jsou to tyčinkovité bakterie se zaoblenými konci. Představují pertrický bičíkový vzor s bičíky rozloženými po celém povrchu buňky.

Má rozměry 3-5 mikronů dlouhé a široké 1-1,2 mikronů. V jejich experimentálních kulturách jsou pozorovány kruhové kolonie o průměru 3-8 mm, s pravidelnými okraji a vzhledem „broušeného skla“.

Při pozorování pod elektronovým mikroskopem jsou pozorovány typické protáhlé buňky spojené v krátkých řetězcích.

Tento druh bakterie produkuje spory, které mají charakteristický elipsoidní tvar a jsou umístěny ve střední části buňky, aniž by způsobovaly její deformaci.

Obecné vlastnosti

Zaprvé, Bacillus thuringiensis je gram-pozitivní bakterie, což znamená, že při podrobení procesu barvení Gram získává fialovou barvu.

Stejně tak je to bakterie charakterizovaná svou schopností kolonizovat různá prostředí. Bylo možné jej izolovat na všech typech půd. Má širokou geografickou distribuci, která byla nalezena dokonce i v Antarktidě, jednom z nejvíce nepřátelských prostředí na planetě.

Má aktivní metabolismus a je schopen fermentovat uhlohydráty, jako je glukóza, fruktóza, ribóza, maltóza a trehalóza. Může také hydrolyzovat škrob, želatinu, glykogen a N-acetylglukosamin.

Ve stejné žíle je Bacillus thuringiensis pozitivní na katalázu a je schopen rozložit peroxid vodíku na vodu a kyslík.

Když byl kultivován v krevním agarovém médiu, byl pozorován vzorec beta hemolýzy, což znamená, že tato bakterie je schopna zcela zničit erytrocyty.

S ohledem na své ekologické požadavky na růst vyžaduje teplotní rozmezí 10 - 15 ° C až 40 - 45 ° C. Podobně jeho optimální pH je mezi 5,7 a 7.

Bacillus thuringiensis je přísná aerobní bakterie. Musí být v prostředí s dostatečnou dostupností kyslíku.

Charakteristickým rysem Bacillus thuringiensis je to, že během procesu sporulace vytváří krystaly tvořené proteinem známým jako delta toxin. V rámci těchto dvou skupin byly identifikovány: Cry a Cyt.

Tento toxin je schopen způsobit smrt některých druhů hmyzu, kteří jsou skutečnými škůdci různých druhů plodin.

Životní cyklus

B. thuringiensis má životní cyklus se dvěma fázemi: jedna z nich se vyznačuje vegetativním růstem, druhá sporulací. První z nich se vyskytuje v příznivých podmínkách pro vývoj, jako jsou prostředí bohatá na živiny, druhá v nepříznivých podmínkách, s nedostatkem potravinového substrátu.

Larvy hmyzu, jako jsou motýli, brouci nebo mouchy, mohou při požití na listech, plodech nebo jiných částech rostliny požít endospory bakterie B. thuringiensis.

V trávicím traktu hmyzu se díky jeho alkalickým vlastnostem krystalizovaný protein bakterie rozpustí a aktivuje. Protein se váže na receptor ve střevních buňkách hmyzu a vytváří póry, které ovlivňují rovnováhu elektrolytů a způsobují smrt hmyzu.

Bakterie tedy používá tkáně mrtvého hmyzu ke krmení, množení a tvorbě nových spór, které infikují nové hostitele.

Toxin

Toxiny produkované B. thuringiensis mají vysoce specifický účinek u bezobratlých a jsou neškodné u obratlovců. Parasporální inkluze B. thuringensis mají rozmanité proteiny s různorodou a synergickou aktivitou.

B. thuringienisis má různé virulenční faktory, které kromě delta endotoxinů Cry a Cyt obsahují určité alfa a beta exotoxiny, chitinázy, enterotoxiny, fosfolipázy a hemolysiny, které zvyšují jeho účinnost jako entomopatogen.

Krystaly toxického proteinu B. thuringiensis jsou degradovány v půdě mikrobiálním působením a mohou být denaturovány působením slunečního záření.

Použití při kontrole škůdců

Entomopatogenní potenciál Bacillus thuringiensis byl při ochraně plodin využíván více než 50 let.

Díky vývoji biotechnologií a pokroku v této oblasti bylo možné tento toxický účinek využít dvěma hlavními způsoby: výrobou pesticidů, které se používají přímo na plodiny, a tvorbou transgenních potravin.

Mechanismus působení toxinu

Abychom pochopili důležitost této bakterie při ochraně před škůdci, je důležité vědět, jak toxin napadá tělo hmyzu.

Jeho mechanismus působení je rozdělen do čtyř fází:

Solubilizace a zpracování křečových protoxinů: krystaly požité larvami hmyzu se rozpustí ve střevě. Působením přítomných proteáz se transformují na aktivní toxiny. Tyto toxiny procházejí tzv. Peritrofickou membránou (ochranná membrána buněk střevního epitelu).

Vazba na receptory: toxiny se vážou na specifická místa, která jsou umístěna v mikrovilli střevních buněk hmyzu.

Vložení do membrány a tvorba pórů: Cry proteiny se vkládají do membrány a způsobují úplnou destrukci tkáně vytvářením iontových kanálů.

Cytolýza: smrt střevních buněk. K tomu dochází prostřednictvím několika mechanismů, z nichž nejznámější je osmotická cytolýza a inaktivace systému, který udržuje rovnováhu pH.

Bacillus thuringiensis

Jakmile byl ověřen toxický účinek proteinů produkovaných bakteriemi, bylo studováno jejich potenciální použití při kontrole škůdců v plodinách.

Bylo provedeno mnoho studií pro stanovení pesticidních vlastností toxinu produkovaného těmito bakteriemi. Díky pozitivním výsledkům těchto výzkumů se Bacillus thuringiensis stal celosvětově nejpoužívanějším biologickým insekticidem pro hubení škůdců, kteří poškozují a negativně ovlivňují různé plodiny.

Zdroj: Pixabay.com

Bioinsekticidy na bázi Bacillus thuringiensis se postupem času vyvíjely. Od prvních, které obsahovaly pouze spory a krystaly, až po ty, které jsou známé jako ty třetí generace, které obsahují rekombinantní bakterie, které vytvářejí toxin bt, a které mají výhody, jako je dosažení rostlinných tkání.

Význam toxinu produkovaného touto bakterií je ten, že není účinný pouze proti hmyzu, ale také proti jiným organismům, jako jsou nematody, prvoky a trematody.

Je důležité objasnit, že tento toxin je zcela neškodný u jiných druhů živých bytostí, jako jsou obratlovci, skupina, do které lidé patří. Je tomu tak proto, že vnitřní podmínky trávicího systému nejsou ideální pro jeho proliferaci a účinek.

Bacillus thuringiensis

Díky technologickému pokroku, zejména vývoji technologie rekombinantní DNA, bylo možné vytvořit rostliny, které jsou geneticky imunní vůči účinku hmyzu, který způsobuje zmatek na plodinách. Tyto rostliny jsou obecně známy jako transgenní potraviny nebo geneticky modifikované organismy.

Tato technologie spočívá v identifikaci v genomu bakterie sekvence genů, které kódují expresi toxických proteinů. Tyto geny jsou později přeneseny do genomu rostliny, která má být ošetřena.

Když rostlina roste a vyvíjí se, začíná syntetizovat toxin, který byl dříve produkován Bacillus thuringiensis, a poté je imunní vůči působení hmyzu.

Existuje několik závodů, ve kterých byla tato technologie použita. Mezi ně patří kukuřice, bavlna, brambory a sójové boby. Tyto plodiny se nazývají bt kukuřice, bt bavlna atd.

Tato transgenní jídla samozřejmě vyvolala v populaci určité obavy. Ve zprávě zveřejněné Agenturou pro životní prostředí Spojených států však bylo stanoveno, že tyto potraviny dosud nevykazovaly žádný druh toxicity ani poškození ani u lidí, ani u vyšších zvířat.

Účinky na hmyz

Krystaly B. thuringiensis se rozpustí ve střevě hmyzu s vysokým pH a protoxiny a uvolňují se další enzymy a proteiny. Protoxiny se tak stávají aktivními toxiny, které se vážou na specializované molekuly receptoru na buňkách střeva.

Toxin B. thuringiensis způsobuje zastavení požití hmyzem, ochrnutí střeva, zvracení, nevyváženost při vylučování, osmotickou dekompenzaci, celkovou ochrnutí a nakonec smrt.

V důsledku působení toxinu dochází ve střevní tkáni k vážnému poškození, které brání jeho fungování a ovlivňuje vstřebávání živin.

Střevo „Caenorhabditis elegans“ nakažené „Bacillus thuringiensis“. Zdroj: www.researchgate.net

Má se za to, že smrt hmyzu by mohla být způsobena vyklícením spór a množením vegetativních buněk v hemocele hmyzu.

Předpokládá se však, že úmrtnost bude více záviset na působení komensálních bakterií, které žijí ve střevě hmyzu, a že po působení toxinu B. thuringiensis budou schopny způsobit septikémii.

Toxin B. thuringiensis neovlivňuje obratlovce, protože trávení potravy v nich probíhá v kyselém prostředí, kde se toxin neaktivuje.

Vyznačuje se vysokou specifičností hmyzu, zvláště známou pro Lepidoptera. Pro většinu entomofauny je považován za neškodný a nemá na rostliny škodlivé účinky, tj. Není fytotoxický.

Reference

1. Hoffe, H. and Whiteley, H. (1989, červen). Insekticidní krystalové proteiny Bacillus thuringiensis. Mikrobiologický přehled. 53 (2). 242-255.
2. Martin, P. a Travers, R. (1989, říjen). Celosvětová hojnost a distribuce aplikované Bacillus thuringiensis a mikrobiologie životního prostředí. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. a Yeon, H. (2007), Bacillus thuringiensis jako specifický, bezpečný a účinný nástroj pro hubení hmyzích škůdců. Journal of Microbiology and Biotechnology. 17 (4). 547-559
4. Sauka, D. a Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: obecnosti. Přístup k jeho použití v biologické kontrole lepidopteranského hmyzu, který je zemědělským škůdcem. Argentinský deník mikrobiologie. 40. 124-140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D. a Dean H. (1998, září). Bacillus thuringiensis a jeho pesticidní krystalický protein. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 62 (3). 775-806.
6. Villa, E., Parrá, F., Cira, L. a Villalobos, S. (2018, leden). Rod Bacillus jako činidla biologické kontroly a jejich důsledky pro zemědělskou biologickou bezpečnost. Mexický žurnál fytopatologie. Online publikace.