Bacillus thuringiensis -Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis
Bt-toxin-кристаллы.jpg
Споры и бипирамидные кристаллы штамма Bacillus thuringiensis morrisoni T08025
Научная классификация редактировать
Домен: Бактерии
Тип: Фирмикуты
Класс: Бациллы
Порядок: Бациллы
Семья: Бациллы
Род: Бациллы
Разновидность:
B. thuringiensis
Биномиальное имя
Bacillus thuringiensis
Берлинер 1915
Грам из Bacillus Thuringiensis при 1000 - кратном увеличении

Bacillus thuringiensis (или Bt ) - грамположительная почвенная бактерия , наиболее часто используемый биологический пестицид во всем мире. B. thuringiensis также встречается естественным образом в кишечнике гусениц различных видов моли и бабочек , а также на поверхности листьев, водной среде, фекалиях животных, среде, богатой насекомыми, а также на мукомольных заводах и в зернохранилищах. Также наблюдалось паразитирование других бабочек, таких как Cadra calidella - в лабораторных экспериментах с C. calidella многие бабочки были заражены этим паразитом.

Во время споруляции многие штаммы Bt продуцируют кристаллические белки (белковые включения), называемые дельта-эндотоксинами , которые обладают инсектицидным действием. Это привело к их использованию в качестве инсектицидов, а в последнее время - к генетически модифицированным культурам, использующим гены Bt, таким как кукуруза Bt . Однако многие штаммы Bt, образующие кристаллы , не обладают инсектицидными свойствами. Подвида israelensis обычно используются для борьбы с москитами и из грибов , мошек .

В качестве токсического механизма cry белки связываются со специфическими рецепторами на мембранах ( эпителиальных ) клеток средней кишки целевых вредителей, что приводит к их разрыву. Другие организмы (включая людей, других животных и нецелевых насекомых), у которых отсутствуют соответствующие рецепторы в кишечнике, не могут быть затронуты белком cry и, следовательно, не подвержены влиянию Bt.


Таксономия и открытие

В 1902 году B. thuringiensis был впервые обнаружен у шелкопряда японским инженером-шелководителем Ишиватари Сигетане (石 渡 繁 胤) . Он назвал его B. sotto , используя японское слово sottō (, «коллапс») , имея в виду бактериальный паралич. В 1911 году немецкий микробиолог Эрнст Берлинер вновь открыл его, когда выделил его как причину болезни, называемой Schlaffsucht, у гусениц мучной моли в Тюрингии (отсюда и название thuringiensis , «тюрингский»). Позднее B. sotto будет переименован в B. thuringiensis var. сотто .

В 1976 году Роберт А. Захарян сообщил о наличии плазмиды в штамме B. thuringiensis и предположил участие плазмиды в формировании эндоспор и кристаллов. B. thuringiensis тесно связан с B. cereus , почвенной бактерией, и B. anthracis , возбудителем сибирской язвы ; три организма различаются главным образом своими плазмидами . Как и другие представители этого рода, все трое являются анаэробами, способными продуцировать эндоспоры .

Размещение групп видов

B. thuringiensis относится к группе Bacillus cereus, которую определяют по-разному: семь близкородственных видов: B. cereus sensu stricto ( B. cereus ), B. anthracis , B. thuringiensis , B. mycoides , B. pseudomycoides и B. y cytotoxicus ; или как шесть видов в Bacillus cereus sensu lato: B. weihenstephanensis , B. mycoides , B. pseudomycoides , B. cereus , B. thuringiensis и B. anthracis . Внутри этой группы Bt более близок к B.ce. Он более отдаленно связан с Bw , Bm , Bp и B.cy.

Подвиды

Существует несколько десятков признанных подвидов B. thuringiensis . Подвиды, обычно используемые в качестве инсектицидов, включают B. thuringiensis подвид kurstaki (Btk), подвид israelensis (Bti) и подвид aizawa . Некоторые линии Bti являются клональными.

Генетика

Известно, что некоторые штаммы несут те же гены, которые продуцируют энтеротоксины у B. cereus , поэтому вполне возможно, что вся группа B. cereus sensu lato может потенциально быть энтеропатогенами .

Белки, которыми наиболее известен B. thuringiensis , кодируются генами cry . У большинства штаммов B. thuringiensis эти гены расположены на плазмиде (другими словами, cry не является хромосомным геном в большинстве штаммов). Если эти плазмиды потеряны, они становятся неотличимы от B. cereus, поскольку B. thuringiensis не имеет других видовых характеристик. Плазмидный обмен наблюдали как в природе, так и экспериментально как внутри Bt, так и между Bt и двумя родственниками, B. cereus и B. mycoides .

plcR является незаменимым регулятором транскрипции большинства факторов вирулентности , его отсутствие значительно снижает вирулентность и токсичность. Некоторые штаммы естественным образом завершают свой жизненный цикл с инактивированным plcR. Это половина двухгенного оперона вместе сгептапептид воздуходувок . PAPR является частью зондирования кворума в В. Thuringiensis .

Различные штаммы, включая Btk ATCC 33679, несут плазмиды, принадлежащие к более широкому семейству pXO1-подобных . (Семейство pXO1 будучи B. эхиноцереус -Общие семьи с членами длиной ~ 330KB Они отличаются от pXO1 путем замены pXO1. Острова патогенности .) Насекомое паразит Btk HD73 несет pXO2 подобную плазмиду - pBT9727 - недоставало в 35kB патогенность островком pXO2 и фактически не имеет идентифицируемых факторов вирулентности. (В семействе pXO2 нет замены островка патогенности, вместо этого просто отсутствует эта часть pXO2.)

Геномы группы B. cereus могут содержать два типа интронов , получившие название группы I и группы II. Штаммы Bt имеют по-разному 0-5 группу Is и 0-13 группу II.

По-прежнему недостаточно информации, чтобы определить, произошла ли коэволюция хромосомы и плазмиды, чтобы обеспечить адаптацию к конкретным экологическим нишам, или даже возможна ли она.

Общими с B. cereus, но пока не обнаруженными в других местах, в том числе и у других представителей данной видовой группы, являются оттокный насос BC3663 , амидогидролаза N- ацил- L - аминокислот BC3664 и метил-акцептирующий белок хемотаксиса BC5034 .

Протеом

Обладает таким же протеомным разнообразием, что и близкий родственник B. cereus .

Механизм инсектицидного действия

При споруляции B. thuringiensis образует кристаллы двух типов белковых инсектицидных дельта-эндотоксинов (δ-эндотоксинов), называемых кристаллическими белками или белками Cry, которые кодируются генами cry , и белками Cyt .

Cry-токсины обладают специфической активностью против видов насекомых из отряда Lepidoptera (мотыльки и бабочки), Diptera (мухи и комары), Coleoptera (жуки) и Hymenoptera ( осы , пчелы , муравьи и пилильщики ), а также против нематод . Таким образом, B. thuringiensis служит важным резервуаром токсинов Cry для производства биологических инсектицидов и устойчивых к насекомым генетически модифицированных культур . Когда насекомые заглатывают кристаллы токсина, их щелочной пищеварительный тракт денатурирует нерастворимые кристаллы, делая их растворимыми и, таким образом, поддающимися обработке протеазами, обнаруженными в кишечнике насекомых, которые высвобождают токсин из кристаллов. Затем токсин Cry вводится в мембрану клеток кишечника насекомых, парализуя пищеварительный тракт и образуя поры. Насекомое перестает есть и умирает от голода; живые бактерии Bt также могут колонизировать насекомое, что может способствовать его смерти. Смерть наступает в течение нескольких часов или недель. Бактерии средней кишки чувствительных личинок могут потребоваться для инсектицидной активности B. thuringiensis .

A B. Thuringiensis небольшой РНК называется BtsR1 может заставить замолчать выражение токсин Cry5Ba когда вне хозяина, связываясь с сайта РБС токсина транскрипта Cry5Ba , чтобы избежать нематод поведенческой защиты. Подавление приводит к увеличению поглощения бактерий C. elegans . Экспрессия BtsR1 затем снижается после приема внутрь, что приводит к выработке токсина Cry5Ba и гибели хозяина.

В 1996 году в Bt был открыт другой класс инсектицидных белков: вегетативные инсектицидные белки (Vip; InterProIPR022180 ). Белки Vip не обладают гомологией последовательностей с белками Cry, в целом не конкурируют за одни и те же рецепторы, а некоторые убивают разных насекомых, чем белки Cry.

В 2000 году из неинсектицидных изолятов B. thuringiensis была открыта новая подгруппа белка Cry, названная параспорином . Белки группы параспоринов определяются как B. thuringiensis и родственные бактериальные параспоральные белки, которые не являются гемолитическими, но способны преимущественно убивать раковые клетки. По состоянию на январь 2013 года параспорины включают шесть подсемейств: от PS1 до PS6.

Использование спор и белков для борьбы с вредителями

Споры и кристаллические инсектицидные белки, продуцируемые B. thuringiensis , используются для борьбы с насекомыми-вредителями с 1920-х годов и часто применяются в виде жидких спреев. В настоящее время они используются в качестве специальных инсектицидов под торговыми названиями, такими как DiPel и Thuricide. Из-за своей специфичности эти пестициды считаются экологически чистыми, практически не оказывают воздействия на людей, дикую природу , опылителей и большинство других полезных насекомых и используются в органическом земледелии ; тем не менее, руководства по этим продуктам содержат множество предупреждений для окружающей среды и здоровья человека, и в 2012 году были обнаружены пять одобренных штаммов, проведенных европейскими регулирующими органами. оправдывают многие из этих утверждений.

Новые штаммы Bt разрабатываются и вводятся с течением времени по мере того, как насекомые развивают устойчивость к Bt, или возникает желание вызвать мутации для изменения характеристик организма, или использовать гомологичную рекомбинантную генную инженерию для увеличения размера кристаллов и повышения пестицидной активности, или расширения круга хозяев. Bt и получить более эффективные составы. Каждому новому штамму присваивается уникальный номер и он регистрируется в Агентстве по охране окружающей среды США, и могут быть даны разрешения на генетическую модификацию в зависимости от «его родительских штаммов, предлагаемой схемы использования пестицидов, а также способа и степени генетической модификации организма». Составы Bt, одобренные для органического земледелия в США, перечислены на веб-сайте Института обзора органических материалов (OMRI), а несколько веб-сайтов университетов предлагают советы о том, как использовать споры Bt или белковые препараты в органическом сельском хозяйстве.

Использование генов Bt в генной инженерии растений для борьбы с вредителями

Бельгийская компания Plant Genetic Systems (ныне часть Bayer CropScience ) была первой компанией (в 1985 г.), которая разработала генетически модифицированные культуры ( табак ), устойчивые к насекомым, путем экспрессии генов cry из B. thuringiensis ; полученные культуры содержат дельта-эндотоксин . Табак Bt никогда не продавался; Табачные растения используются для тестирования генетических модификаций, поскольку ими легко манипулировать генетически, и они не входят в состав продуктов питания.

Токсины Bt, присутствующие в листьях арахиса (нижнее блюдо), защищают его от обширного повреждения незащищенных листьев арахиса меньшими личинками мотыльков кукурузного стебля (верхнее блюдо).

использование

В 1985 году растения картофеля, вырабатывающие токсин CRY 3A Bt, были одобрены Агентством по охране окружающей среды как безопасные , что сделало его первой культурой, производящей пестициды, модифицированной человеком, которая была одобрена в США, хотя многие растения производят пестициды естественным путем, включая табак, кофейные растения и т. Д. какао и черный орех . Это был картофель «New Leaf», который был снят с рынка в 2001 году из-за отсутствия интереса.

В 1996 году была одобрена генетически модифицированная кукуруза, продуцирующая белок Bt Cry, который убил европейского кукурузного мотылька и родственных ему видов; последующие были введены гены Bt, убивающие личинки корневых червей кукурузы.

Гены Bt, созданные в сельскохозяйственных культурах и одобренные для выпуска, включают, по отдельности и в стопке: Cry1A.105, CryIAb, CryIF, Cry2Ab, Cry3Bb1 , Cry34Ab1, Cry35Ab1, mCry3A и VIP, а созданные культуры включают кукурузу и хлопок.

Генетически модифицированная кукуруза для производства VIP была впервые одобрена в США в 2010 году.

В Индии к 2014 году более семи миллионов фермеров, выращивающих хлопок, занимающих 26 миллионов акров земли, взяли на вооружение Bt-хлопок.

Monsanto разработала сою, экспрессирующую Cry1Ac и ген устойчивости к глифосату для бразильского рынка, что завершило бразильский процесс регулирования в 2010 году.

Были выведены Bt-трансформированные осины, в частности гибриды Populus . Они действительно меньше страдают от повреждения листьев травоядными насекомыми . Однако результаты не были полностью положительными: намеченный результат - повышение урожайности древесины - не был достигнут, без увеличения роста, несмотря на сокращение ущерба травоядным животным; один из их основных вредителей все еще охотится на трансгенные деревья; кроме того, их листовой опад разлагается по-разному из-за трансгенных токсинов, что приводит к изменениям в популяциях водных насекомых поблизости.

Энтузиасты сельского хозяйства изучают устойчивую к насекомым трансгенную кукурузу Bt

Исследования безопасности

Использование токсинов Bt в качестве защитных средств, содержащихся в растениях, вызвало необходимость всесторонней оценки их безопасности для использования в пищевых продуктах и ​​потенциального непреднамеренного воздействия на окружающую среду.

Оценка диетического риска

Обеспокоенность по поводу безопасности потребления генетически модифицированных растительных материалов, содержащих белки Cry , была решена в обширных исследованиях по оценке диетических рисков. В качестве токсичного механизма cry белки связываются со специфическими рецепторами на мембранах ( эпителиальных ) клеток среднего кишечника целевых вредителей, что приводит к их разрыву. В то время как вредители-мишени подвергаются воздействию токсинов в основном через материал листьев и стеблей, белки Cry также экспрессируются в других частях растения, включая следовые количества в зернах кукурузы, которые в конечном итоге потребляются как людьми, так и животными. Однако другие организмы (включая людей, других животных и нецелевых насекомых), у которых отсутствуют соответствующие рецепторы в кишечнике, не могут быть затронуты белком cry и, следовательно, не подвержены влиянию Bt.

Токсикологические исследования

Модели на животных использовались для оценки риска для здоровья человека от потребления продуктов, содержащих белки Cry. Агентство по охране окружающей среды США признает исследования острого перорального кормления мышей, в которых дозы до 5000 мг / кг массы тела не приводили к наблюдаемым побочным эффектам . Исследования других известных токсичных белков показывают, что токсичность проявляется при гораздо более низких дозах , что также свидетельствует о том, что токсины Bt не токсичны для млекопитающих. Результаты токсикологических исследований подкрепляются отсутствием наблюдаемой токсичности за десятилетия использования B. thuringiensis и его кристаллических белков в качестве инсектицидного спрея.

Исследования аллергенности

Введение нового белка вызвало опасения относительно возможности аллергических реакций у чувствительных людей. Биоинформатический анализ известных аллергенов показал, что нет опасений по поводу аллергических реакций в результате потребления токсинов Bt. Кроме того, кожный укол с использованием очищенного белка Bt не выявил детектируемого образования токсин-специфических антител IgE даже у пациентов с атопией .

Исследования усвояемости

Были проведены исследования для оценки судьбы токсинов Bt, попадающих в организм с пищей. Было показано, что белки-токсины Bt перевариваются в течение нескольких минут после воздействия искусственной желудочной жидкости . Нестабильность белков в пищеварительных жидкостях является дополнительным признаком того, что белки Cry вряд ли могут быть аллергенными, поскольку большинство известных пищевых аллергенов сопротивляются деградации и в конечном итоге абсорбируются в тонком кишечнике.

Оценка экологического риска

Оценка экологического риска направлена ​​на то, чтобы гарантировать отсутствие непреднамеренного воздействия на нецелевые организмы и отсутствие загрязнения природных ресурсов в результате использования нового вещества, такого как использование Bt в генетически модифицированных культурах. Воздействие токсинов Bt на среду, в которой выращиваются трансгенные растения, было оценено, чтобы гарантировать отсутствие неблагоприятных эффектов за пределами целевых вредителей сельскохозяйственных культур.

Стойкость в окружающей среде

Были исследованы опасения по поводу возможного воздействия на окружающую среду в результате накопления токсинов Bt в тканях растений, распространения пыльцы и прямой секреции из корней. Токсины Bt могут сохраняться в почве более 200 дней с периодом полураспада от 1,6 до 22 дней. Большая часть токсина первоначально быстро разлагается микроорганизмами в окружающей среде, тогда как часть адсорбируется органическими веществами и сохраняется дольше. Некоторые исследования, напротив, утверждают, что токсины не сохраняются в почве. Токсины Bt с меньшей вероятностью накапливаются в водоемах, но пыльца или почвенный сток могут откладывать их в водной экосистеме. Виды рыб не восприимчивы к токсинам Bt при контакте с ними.

Воздействие на нецелевые организмы

Токсическая природа белков Bt оказывает неблагоприятное воздействие на многих основных вредителей сельскохозяйственных культур, но оценки экологического риска были проведены для обеспечения безопасности полезных нецелевых организмов, которые могут вступать в контакт с токсинами. Широко распространенные опасения по поводу токсичности чешуекрылых , не являющихся мишенями , таких как бабочка-монарх, были опровергнуты путем надлежащей характеристики воздействия, когда было определено, что нецелевые организмы не подвергаются воздействию достаточно высоких количеств токсинов Bt, чтобы оказывать неблагоприятное воздействие на население. На обитающие в почве организмы, потенциально подверженные воздействию токсинов Bt через корневые экссудаты, рост Bt-культур не влияет.

Устойчивость к насекомым

Многие насекомые выработали устойчивость к B. thuringiensis . В ноябре 2009 года ученые Monsanto обнаружили, что розовая совка стала устойчивой к Bt-хлопку первого поколения в некоторых частях Гуджарата , Индия - это поколение экспрессирует один ген Bt, Cry1Ac . Это был первый случай сопротивления Bt, подтвержденный Monsanto в любой точке мира. В ответ на это Monsanto представила хлопок второго поколения с множеством Bt-белков, который быстро получил широкое распространение. Устойчивость Bollworm к Bt-хлопку первого поколения также была выявлена ​​в Австралии, Китае, Испании и США. Кроме того, устойчивость к Bt была задокументирована в полевых популяциях камышовой моли на Гавайях, континентальной части США и в Азии. Исследования петлителя капусты показали, что мутация в мембранном транспортере ABCC2 может придавать устойчивость к Bt Cry1Ac .

Вторичные вредители

В нескольких исследованиях задокументирован всплеск количества «сосущих вредителей» (на которых не действуют токсины Bt) в течение нескольких лет после внедрения Bt-хлопка. В Китае основная проблема связана с миридами , которые в некоторых случаях «полностью сводят на нет все выгоды от выращивания Bt-хлопка». Увеличение количества сосущих насекомых зависело от местной температуры и условий осадков и увеличилось в половине обследованных деревень. Увеличение использования инсектицидов для борьбы с этими вторичными насекомыми было намного меньше, чем сокращение общего использования инсектицидов из-за внедрения Bt-хлопка. Другое исследование, проведенное в пяти провинциях Китая, показало, что сокращение использования пестицидов в сортах Bt-хлопка значительно ниже, чем сообщалось в других исследованиях, что согласуется с гипотезой, выдвинутой недавними исследованиями о том, что со временем необходимо больше распылять пестициды для борьбы с появляющимися вторичными вредителями, такими как как тля, паутинный клещ и клопы Lygus.

Об аналогичных проблемах сообщалось в Индии, как с мучнистыми насекомыми, так и с тлей, хотя обследование небольших индийских ферм в период с 2002 по 2008 год показало, что внедрение Bt-хлопка привело к повышению урожайности и снижению использования пестицидов, которое со временем снижается.

Споры

Споры вокруг использования Bt являются одними из многих более широких споров о генетически модифицированных пищевых продуктах .

Токсичность чешуекрылых

Самая известная проблема, связанная с культурами Bt, - это утверждение, что пыльца кукурузы Bt может убить бабочку-монарх . Газета вызвала общественный резонанс и демонстрации против Bt кукурузы; однако к 2001 году несколько последующих исследований, координируемых Министерством сельского хозяйства США, подтвердили, что «наиболее распространенные типы пыльцы кукурузы Bt не токсичны для личинок монархов в концентрациях, с которыми насекомые могут столкнуться на полях». Точно так же B. thuringiensis широко использовался для борьбы с ростом личинок Spodoptera littoralis из-за их пагубной деятельности вредителей в Африке и Южной Европе. Однако S. littoralis продемонстрировал устойчивость ко многим штаммам B. thuriginesis и эффективно контролировался только несколькими штаммами.

Генетическое смешение дикой кукурузы

В исследовании, опубликованном в журнале Nature в 2001 году, сообщается, что Bt-содержащие гены кукурузы были обнаружены в кукурузе в центре ее происхождения, Оахака , Мексика. В 2002 году газета пришла к выводу, что «имеющихся доказательств недостаточно, чтобы оправдать публикацию оригинальной статьи». Значительное противоречие произошло по бумаге и природы " беспрецедентное уведомлению s.

Последующее крупномасштабное исследование в 2005 году не смогло найти никаких доказательств генетического смешения в Оахаке. Исследование 2007 года показало, что «трансгенные белки, экспрессируемые в кукурузе, были обнаружены в двух (0,96%) из 208 проб с фермерских полей, расположенных в двух (8%) из 25 обследованных общин». Мексика импортирует значительное количество кукурузы из США, и благодаря формальным и неформальным сетям семеноводства среди сельских фермеров существует множество потенциальных маршрутов попадания трансгенной кукурузы в пищевые и кормовые сети. Одно исследование обнаружило мелкомасштабное (около 1%) внедрение трансгенных последовательностей на полях выборки в Мексике; он не нашел доказательств за или против того, чтобы этот введенный генетический материал был унаследован следующим поколением растений. Это исследование было немедленно подвергнуто критике, и рецензент написал: «Генетически любое данное растение должно быть либо нетрансгенным, либо трансгенным, поэтому для ткани листа одного трансгенного растения ожидается уровень ГМО, близкий к 100%. В их исследовании, авторы решили классифицировать образцы листьев как трансгенные, несмотря на уровни ГМО около 0,1%. Мы утверждаем, что такие результаты неправильно интерпретируются как положительные и с большей вероятностью указывают на заражение в лаборатории ».

Расстройство коллапса колонии

С 2007 года новое явление, названное расстройством коллапса колонии (CCD), начало поражать пчелиные ульи по всей Северной Америке. Первоначальные предположения о возможных причинах включали появление новых паразитов, использование пестицидов и использование трансгенных культур Bt. Mid-Atlantic Пчеловодство Исследования и Консорциум Удлинитель не обнаружили никаких доказательств того, что пыльца Bt культур отрицательно влияет на пчел. Согласно Министерству сельского хозяйства США, «генетически модифицированные (ГМ) культуры, чаще всего Bt-кукуруза, были предложены в качестве причины CCD. Но нет никакой корреляции между местом посадки ГМ-культур и характером инцидентов CCD. Кроме того, ГМ-культуры были широко посажены с конца 1990-х годов, но CCD не появлялся до 2006 года. Кроме того, CCD сообщалось в странах, которые не разрешают выращивать ГМ-культуры, таких как Швейцария. Немецкие исследователи отметили в одном исследовании возможную корреляцию между воздействием пыльцы Bt и нарушением иммунитета к Nosema ». Фактическая причина CCD была неизвестна в 2007 году, и ученые полагают, что у нее может быть несколько отягчающих причин.

Бета-экзотоксины

Некоторые изоляты B. thuringiensis продуцируют класс небольших инсектицидных молекул, называемых бета- экзотоксином , общее название которого - тюрингиенсин. В согласованном документе, подготовленном ОЭСР, говорится: «Известно, что бета-экзотоксины токсичны для человека и почти всех других форм жизни, и его присутствие запрещено в микробных продуктах B. thuringiensis ». Тюрингиенсины являются аналогами нуклеозидов . Они подавляют активность РНК-полимеразы - процесс, характерный для всех форм жизни, как у крыс, так и у бактерий.

Другие хозяева

Оппортунистический патоген животных, кроме насекомых, вызывающий некроз , легочную инфекцию и / или пищевое отравление . Насколько это распространено, неизвестно, потому что они всегда считаются инфекциями B. cereus и редко проверяются на белки Cry и Cyt, которые являются единственным фактором, отличающим .B thuringiensis от B. cereus .

Смотрите также

Ovitrap собирает яйца от комаров . Коричневые гранулы в воде представляют собой B. t. israelensis , убивающий вылупившихся личинок.

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки