Ученые определили, что бактерии Bacillus thuringiensis, после трех дней роста на твердой питательной среде, приводят к вдвое большей смертности личинок вощинной огневки по сравнению с бактериями, культивированными в жидкой среде. На третий день роста на твердой среде колонии этих микроорганизмов содержат больше спор и токсинов, что делает их более опасными для вредителей. Информация о жизненном цикле и развитии Bacillus thuringiensis может способствовать разработке эффективных биологических инсектицидов — препаратов на основе микроорганизмов для защиты растений от вредителей.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале Journal of Invertebrate Pathology.
Bacillus thuringiensis — это бактерии, которые более ста лет применяются в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми-вредителями, такими как личинки бабочек, жуков, комаров и мух (включая колорадского жука, капустную совку, капустную моль и других).
Эти бактерии безопасны для человека и полезных насекомых, таких как пчелы и божьи коровки, поскольку их токсины воздействуют только на определенные группы насекомых. В частности, Cry-токсины, вырабатываемые бактериями в процессе образования спор — структур, позволяющих им выживать в неблагоприятных условиях, — при попадании в организм насекомого разрушают его кишечник, что приводит к его смерти.
Споры Bacillus thuringiensis обеспечивают бактериям устойчивость к внешним воздействиям, а при прорастании в кишечнике насекомого выделяют дополнительные ферменты, которые усиливают действие Cry-токсина и помогают преодолеть иммунитет вредителя. Всё это делает Bacillus thuringiensis эффективным средством для защиты растений от вредителей в сельском хозяйстве.
При попадании в организм насекомого Bacillus thuringiensis проходит три стадии своего развития. Сначала бактерии активно размножаются в теле хозяина, выделяя факторы вирулентности — своеобразное «оружие», которое может усилить действие Cry-токсина или помочь избежать иммунного ответа хозяина, что приводит к его гибели (вирулентная стадия). Затем бактерии начинают использовать питательные вещества из мертвых клеток насекомого после его смерти (некротрофная стадия). В заключительной стадии, при недостатке питательных веществ, они образуют споры и новые Cry-токсины для обеспечения своего выживания (стадия споруляции).
Бактерия может расти как в жидкой, так и в твердой среде. Жидкая среда чаще всего применяется для биотехнологического производства биопрепаратов и в некоторой степени имитирует условия, в которых бактерия находится в гемолимфе («крови») насекомого, тогда как твердая среда соответствует естественной обстановке для бактерий вне хозяина, например, на листьях растений и поверхности почвы. Однако до сих пор не было полностью ясно, каким образом эти условия влияют на стратегию развития и вирулентность бактерий, то есть на их способность вызывать гибель насекомого при заражении.
Учёные из Новосибирского государственного аграрного университета совместно с коллегами из Университета Голуэя в Ирландии и Университета Суонси в Великобритании провели исследование, в котором сравнили, как условия роста Bacillus thuringiensis — в жидкой среде или на твердой поверхности — влияют на её вирулентность.
В качестве модельного объекта исследования были использованы лабораторные личинки вощинной огневки, которая в естественных условиях питается медом, пергой и сотами пчел, нанося тем самым ущерб пчеловодству.
В ходе исследования ученые культивировали Bacillus thuringiensis в различных условиях, измеряя скорость его роста, образование спор и активность генов, связанных с вирулентностью. Затем они инфицировали личинок вощинной огневки этими бактериями, чтобы оценить, насколько эффективно микроорганизмы, выращенные в разных условиях, приводят к гибели насекомых.
Исследования показали, что бактерии, развивавшиеся в колониях на твердой среде в течение трех дней, вызывали в два раза большую смертность личинок по сравнению с бактериями, культивированными в жидкой среде.
В этот период колонии содержали больше спор и Cry-токсинов, что способствовало повышенной смертности насекомых при заражении. Однако к седьмому дню наблюдения различия в вирулентности между бактериями, выращенными в различных условиях, исчезли, поскольку большинство клеток в обеих популяциях завершили образование спор и синтез Cry-токсинов.
Исследования ученых также касались активности ключевых генов, которые регулируют жизненный цикл Bacillus thuringiensis. Выяснили, что на твердой среде активность гена, отвечающего за спорообразование и синтез Cry-токсина, к третьему дню роста была значительно выше, чем в жидкой среде. При этом активность гена, отвечающего за выработку дополнительных факторов вирулентности, оставалась высокой как у бактерий в жидкой среде, так и на твердой. Однако для бактерий в жидкой среде отсутствие Cry-токсина не дало никаких преимуществ.
Таким образом, основное отличие заключается в том, что в твердой среде процесс формирования спор и производства Cry-токсинов начинается на более раннем этапе, что делает бактерии более угрожающими для насекомых-вредителей.
Кроме того, в этой бактериальной популяции наблюдается «разделение труда»: одна группа клеток отвечает за спорообразование и синтез Cry-токсина, в то время как другая группа активно производит дополнительные факторы вирулентности.
Ученые полагают, что такое разнообразие жизненных стадий способствует лучшей адаптации микроорганизмов к изменяющимся условиям окружающей среды и повышает их шансы на выживание.
Понимание того, как условия роста Bacillus thuringiensis влияют на способность заражать насекомых, имеет большое значение для разработки более эффективных биопестицидов.
Исследователи отмечают, что для успешного массового производства таких средств защиты от вредителей необходимо, чтобы бактерия завершила процесс образования спор. Исследования показали, что при культивировании бактерий на твердой среде процесс споруляции происходит быстрее.
Первый автор исследования — Татьяна Крыцына. Источник: Пресс-центр НГАУ.
Второй автор исследования — Екатерина Гризанова. Источник: Пресс-центр НГАУ.
«В предстоящих исследованиях мы намерены исследовать жизненный цикл популяций Bacillus thuringiensis в организме насекомых после инъекции. Это поможет глубже понять, как бактерии адаптируются к различным условиям внутри хозяина и как повысить эффективность биопрепаратов», — делится информацией Екатерина Гризанова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник и доцент кафедры защиты растений Новосибирского государственного аграрного университета, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.
На заглавном фото - бактерии в термошейкере. Источник: Пресс-центр НГАУ.