Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (сокращённо Bt) — это грамположительная, спорообразующая почвенная бактерия, относящаяся к роду бацилл (Bacillus). В процессе споруляции она синтезирует кристаллические белковые включения (δ-эндотоксины), обладающие инсектицидной активностью против ряда отрядов насекомых, а также некоторых нематод и клещей. Благодаря этому свойству Bacillus thuringiensis широко используется в сельском хозяйстве и медицине как основа биологических инсектицидов, а также в качестве источника генов для создания генетически модифицированных растений, устойчивых к вредителям.

История открытия и изучения

Первое описание бактерии было сделано в 1901 году японским бактериологом Сигэтане Исиватой, который выделил её из больных гусениц тутового шелкопряда (Bombyx mori). Он назвал микроорганизм Bacillus sotto, однако впоследствии этот вид был идентифицирован как Bacillus thuringiensis. В 1911 году немецкий микробиолог Эрнст Берлинер повторно выделил бактерию из больных гусениц мельничной огнёвки (Anagasta kuehniella) в Тюрингии, в честь которой и было дано современное видовое название. Берлинер впервые описал образование характерных кристаллических включений в клетках бактерии.

В 1938 году во Франции был создан первый коммерческий препарат на основе Bt — «Sporeine». Однако широкое применение началось в 1950–1960-х годах, когда были выделены различные серотипы и штаммы, активные против чешуекрылых, двукрылых и жесткокрылых насекомых. Ключевым этапом стало открытие в 1970-х годах механизма действия δ-эндотоксинов, что позволило начать целенаправленный поиск новых штаммов и разработку рекомбинантных форм.

Биологические свойства

Морфология и физиология

Bacillus thuringiensis представляет собой палочковидную бактерию размером 1–2 × 3–5 мкм. Она подвижна (имеет перитрихиально расположенные жгутики), факультативно анаэробна, оптимальная температура роста — 28–30 °C. При неблагоприятных условиях (истощение питательной среды) клетка образует термоустойчивую эндоспору овальной формы, которая сохраняет жизнеспособность в почве и на поверхности растений в течение многих лет.

Кристаллические токсины

Главной отличительной особенностью Bt является образование в процессе споруляции параспоральных кристаллов (Cry-белков). Эти белковые токсины кодируются плазмидными генами. Кристаллы могут иметь различную форму: бипирамидальную, кубическую, округлую или неправильную. В настоящее время известно более 700 различных Cry-белков, которые классифицируются по аминокислотной последовательности (Cry1–Cry75 и др.). Кроме того, некоторые штаммы синтезируют цитолитические токсины (Cyt-белки), активные против двукрылых.

Механизм действия

После попадания в кишечник насекомого-мишени кристаллы растворяются в щелочной среде (pH 8–10), характерной для средней кишки личинок. Растворившиеся протоксины активируются протеазами кишечного сока, превращаясь в активные токсины. Последние связываются со специфическими рецепторами на мембранах эпителиальных клеток кишечника, образуют поры, вызывая нарушение осмотического баланса, лизис клеток и гибель насекомого в течение нескольких часов или суток. Погибшая личинка становится источником спор и токсинов для других особей.

Специфичность действия

Токсичность Bt строго видоспецифична. Различные штаммы и Cry-белки поражают только определённые группы насекомых:

• Чешуекрылые (Lepidoptera) — Cry1, Cry9, Cry15;
• Двукрылые (Diptera) — Cry4, Cry11, Cyt1, Cyt2;
• Жесткокрылые (Coleoptera) — Cry3, Cry7, Cry8;
• Перепончатокрылые (Hymenoptera) — некоторые штаммы;
• Нематоды — Cry5, Cry6, Cry13, Cry14.

Токсины Bt безвредны для млекопитающих, птиц, рыб и большинства полезных насекомых (включая пчёл), поскольку в их кишечнике отсутствуют щелочная среда и специфические рецепторы.

Классификация штаммов

Штаммы Bt классифицируют по нескольким признакам:

• Серотипирование — по антигенным свойствам жгутиков (H-антиген). Выделено более 80 серотипов (H1–H84), например H1 (var. thuringiensis), H3a3b (var. kurstaki), H14 (var. israelensis).
• По спектру активности — на основе набора Cry-генов.
• По происхождению — изоляты из почвы, воды, мёртвых насекомых, растений.

Наиболее известные коммерческие штаммы:

• B. thuringiensis var. kurstaki (Btk) — против чешуекрылых (капустная белянка, плодожорка, листовёртки);
• B. thuringiensis var. israelensis (Bti) — против двукрылых (комары, мошки, грибные комарики);
• B. thuringiensis var. tenebrionis (Btt) — против жесткокрылых (колорадский жук).

Применение

Биопестициды

Препараты на основе Bt являются одними из самых распространённых биологических инсектицидов в мире. Они выпускаются в виде порошков, смачивающихся порошков, концентратов суспензий и гранул. Применяются для защиты сельскохозяйственных культур (овощные, плодовые, полевые), лесных насаждений, а также для борьбы с переносчиками заболеваний (комары — переносчики малярии, лихорадки денге). Преимущества: отсутствие фитотоксичности, короткий период ожидания, возможность применения в период цветения, безопасность для человека и теплокровных.

Генетически модифицированные растения (Bt-растения)

Гены Cry-белков (чаще всего cry1Ab, cry1Ac, cry3Bb) были перенесены в геномы культурных растений, что позволило создать сорта, устойчивые к насекомым-вредителям. Наиболее распространены Bt-кукуруза (устойчива к стеблевому мотыльку), Bt-хлопчатник (против хлопковой совки), Bt-картофель (против колорадского жука), Bt-соя. Первые коммерческие Bt-растения были одобрены в США в 1996 году. В России генетически модифицированные культуры, содержащие гены Bt, не разрешены для промышленного возделывания, но допускаются для научных исследований и ввоза в качестве пищевых продуктов (кукуруза, соя).

Биологический контроль переносчиков

Штамм Bti (var. israelensis) высокоэффективен против личинок комаров рода Anopheles, Culex, Aedes, а также мошек (Simuliidae). Препараты на его основе применяются в программах Всемирной организации здравоохранения для борьбы с малярией и онхоцеркозом в тропических регионах.

Безопасность и экологические аспекты

Bacillus thuringiensis признан безопасным для человека и окружающей среды. Споры и токсины Bt не вызывают заболеваний у млекопитающих, не накапливаются в пищевых цепях и быстро разлагаются под действием ультрафиолета и микроорганизмов почвы. Однако существуют опасения по поводу развития устойчивости у насекомых-мишеней при длительном применении Bt-растений. Для предотвращения этого используется стратегия рефугиев (посадка обычных сортов рядом с Bt-культурами). Кроме того, некоторые исследования выявили возможное влияние Cry-токсинов на нецелевые организмы (например, на водных беспозвоночных), однако эти эффекты, как правило, незначительны и не превышают воздействия химических инсектицидов.

Интересные факты

• Bacillus thuringiensis является близким родственником возбудителя сибирской язвы (Bacillus anthracis) и Bacillus cereus, однако отличается наличием плазмид, кодирующих Cry-токсины.
• В 2011 году было обнаружено, что некоторые штаммы Bt способны синтезировать не только инсектицидные, но и антимикробные вещества (бациллины, амфициллины).
• Cry-белки используются не только в сельском хозяйстве, но и в медицине — для разработки иммунотоксинов против раковых клеток (экспериментальные исследования).
• В России зарегистрировано более 20 препаратов на основе Bt, включая «Лепидоцид», «Битоксибациллин», «Бактицид», «Комариный биоцид».

Источники

• Е. Ю. Торопова, И. В. Максимов. Биологические средства защиты растений. — М.: Колос, 2012.
• В. А. Павлюшин, А. П. Дмитриев. Бактериальные энтомопатогены: биология, экология, применение. — СПб.: ВИЗР, 2015.
• Г. А. Белозерский, В. К. Плотников. Токсины Bacillus thuringiensis: структура, функция, применение. — М.: Наука, 2008.
• Crickmore N., Zeigler D. R., Feitelson J. et al. Revision of the nomenclature for the Bacillus thuringiensis pesticidal crystal proteins // Microbiology and Molecular Biology Reviews. — 1998. — Vol. 62, No. 3. — P. 807–813.
• Sanahuja G., Banakar R., Twyman R. M. et al. Bacillus thuringiensis: a century of research, development and commercial applications // Plant Biotechnology Journal. — 2011. — Vol. 9, No. 3. — P. 283–300.