BACILLUS THURINGIENSIS: KENMERKEN, MORFOLOGIE, LEVENSCYCLUS - BIOLOGIE - 2025

Bacillus thuringiensis is een bacterie die tot een grote groep grampositieve bacteriën behoort, sommige pathogeen en andere volkomen onschadelijk. Het is een van de bacteriën die het meest is bestudeerd vanwege zijn bruikbaarheid in de landbouw.

Dit nut ligt in het feit dat deze bacterie de bijzonderheid heeft dat hij tijdens zijn sporulatiefase kristallen produceert die eiwitten bevatten die giftig blijken te zijn voor bepaalde insecten die echte plaagorganismen vormen voor gewassen.

Kristallen van B. thuringiensis-toxine. Door Jim Buckman wordt gecrediteerd en de oorspronkelijke uploader is PRJohnston. (w: en: Afbeelding: Bacillus thuringiensis.JPG), via Wikimedia Commons

Een van de meest opvallende kenmerken van Bacillus thuringiensis zijn zijn hoge specificiteit, zijn onschadelijkheid voor mens, plant en dier, evenals zijn minimale residu. Dankzij deze eigenschappen kon het zichzelf positioneren als een van de beste opties voor de behandeling en bestrijding van ongedierte dat gewassen teisterde.

Het succesvolle gebruik van deze bacterie werd duidelijk in 1938 toen het eerste pesticide opkwam dat met zijn sporen werd vervaardigd. Vanaf dat moment is de geschiedenis lang en daardoor is Bacillus thuringiensis geratificeerd als een van de beste opties als het gaat om het bestrijden van landbouwongedierte.

Taxonomie

De taxonomische classificatie van Bacillus thuringiensis is:

Domein: bacteriën

Phylum: Firmicutes

Klasse: Bacilli

Bestelling: Bacillales

Familie: Bacillaceae

Geslacht: Bacillus

Soort: Bacillus thuringiensis

Morfologie

Het zijn staafvormige bacteriën met afgeronde uiteinden. Ze vertonen een pertrisch flagellatiepatroon, met flagellen verdeeld over het hele celoppervlak.

Het heeft afmetingen van 3-5 micron lang en 1-1,2 micron breed. In hun experimentele culturen worden ronde kolonies waargenomen, met een diameter van 3-8 mm, met regelmatige randen en een "gemalen glas" -uiterlijk.

Wanneer ze onder de elektronenmicroscoop worden bekeken, worden de typische langwerpige cellen waargenomen, verenigd in korte ketens.

Deze bacteriesoort produceert sporen met een karakteristieke ellipsvormige vorm en bevindt zich in het centrale deel van de cel, zonder de vervorming ervan te veroorzaken.

Algemene karakteristieken

In de eerste plaats is Bacillus thuringiensis een grampositieve bacterie, wat betekent dat deze bij blootstelling aan het Gram-kleuringsproces een violette kleur krijgt.

Evenzo is het een bacterie die wordt gekenmerkt door zijn vermogen om verschillende omgevingen te koloniseren. Het is mogelijk geweest om het op alle soorten bodems te isoleren. Het heeft een brede geografische spreiding en is zelfs gevonden op Antarctica, een van de meest vijandige omgevingen op aarde.

Het heeft een actief metabolisme en kan koolhydraten zoals glucose, fructose, ribose, maltose en trehalose fermenteren. Het kan ook zetmeel, gelatine, glycogeen en N-acetylglucosamine hydrolyseren.

In dezelfde geest is Bacillus thuringiensis catalase-positief, in staat om waterstofperoxide af te breken in water en zuurstof.

Wanneer het is gekweekt in een bloedagarmedium, is een patroon van bèta-hemolyse waargenomen, wat betekent dat deze bacterie in staat is om erytrocyten volledig te vernietigen.

Met betrekking tot de milieuvereisten voor groei, vereist het temperatuurbereik van 10-15 ° C tot 40-45 ° C. Evenzo ligt de optimale pH tussen 5,7 en 7.

Bacillus thuringiensis is een strikt aërobe bacterie. Het moet zich in een omgeving bevinden met voldoende zuurstof.

Het onderscheidende kenmerk van Bacillus thuringiensis is dat het tijdens het sporulatieproces kristallen genereert die bestaan ​​uit een eiwit dat bekend staat als deltatoxine. Binnen deze twee groepen zijn geïdentificeerd: Cry en Cyt.

Dit gif kan de dood veroorzaken van bepaalde insecten die een echte plaag zijn voor verschillende soorten gewassen.

Levenscyclus

B. thuringiensis heeft een levenscyclus met twee fasen: een ervan wordt gekenmerkt door vegetatieve groei, de andere door sporulatie. De eerste komt voor in gunstige omstandigheden voor ontwikkeling, zoals voedselrijke omgevingen, de tweede in ongunstige omstandigheden, met een tekort aan voedselsubstraat.

De larven van insecten zoals vlinders, kevers of vliegen, onder anderen, wanneer ze zich voeden met de bladeren, vruchten of andere delen van de plant, kunnen endosporen van de bacterie B. thuringiensis opnemen.

In het spijsverteringskanaal van het insect wordt vanwege zijn alkalische eigenschappen het gekristalliseerde eiwit van de bacterie opgelost en geactiveerd. Het eiwit bindt zich aan een receptor op de darmcellen van het insect en vormt een porie die de elektrolytenbalans beïnvloedt, waardoor het insect sterft.

De bacterie gebruikt dus de weefsels van het dode insect voor zijn voeding, vermenigvuldiging en vorming van nieuwe sporen die nieuwe gastheren zullen infecteren.

Toxine

De door B. thuringiensis geproduceerde gifstoffen hebben een zeer specifieke werking bij ongewervelde dieren en zijn onschadelijk bij gewervelde dieren. Parasporale insluitsels van B. thuringensis bezitten diverse eiwitten met diverse en synergetische activiteit.

B. thuringienisis heeft verschillende virulentiefactoren waaronder, naast de delta-endotoxinen Cry en Cyt, bepaalde alfa- en bèta-exotoxinen, chitinasen, enterotoxinen, fosfolipasen en hemolysinen, die de efficiëntie ervan als entomopathogeen verhogen.

De giftige eiwitkristallen van B. thuringiensis worden in de bodem afgebroken door microbiële werking en kunnen gedenatureerd worden door de inval van zonnestraling.

Gebruikt bij ongediertebestrijding

Het entomopathogene potentieel van Bacillus thuringiensis wordt al meer dan 50 jaar intensief benut bij de bescherming van gewassen.

Dankzij de ontwikkeling van de biotechnologie en de vooruitgang daarin, was het mogelijk om dit toxische effect via twee hoofdroutes te gebruiken: de productie van pesticiden die rechtstreeks op gewassen worden gebruikt en de creatie van transgene voedingsmiddelen.

Werkingsmechanisme van het toxine

Om het belang van deze bacterie bij ongediertebestrijding te begrijpen, is het belangrijk om te weten hoe het toxine het lichaam van het insect aanvalt.

Het werkingsmechanisme is verdeeld in vier fasen:

Cry protoxine solubilisatie en verwerking : kristallen die worden ingenomen door insectenlarven lossen op in de darm. Door de werking van de aanwezige proteasen worden ze omgezet in actieve gifstoffen. Deze gifstoffen passeren het zogenaamde peritrofische membraan (beschermend membraan van de cellen van het darmepitheel).

Binding aan receptoren : toxines binden zich aan specifieke plaatsen die zich in de microvilli van de darmcellen van het insect bevinden.

Inbrengen in het membraan en vorming van de porie : Cry-eiwitten dringen in het membraan en veroorzaken totale vernietiging van het weefsel door de vorming van ionenkanalen.

Cytolyse : dood van darmcellen. Dit gebeurt via verschillende mechanismen, waarvan de bekendste osmotische cytolyse is en de inactivering van het systeem dat de pH-balans in stand houdt.

Bacillus thuringiensis

Nadat het toxische effect van de door de bacteriën geproduceerde eiwitten was geverifieerd, werd hun mogelijke gebruik bij de bestrijding van ongedierte in gewassen bestudeerd.

Er zijn veel onderzoeken uitgevoerd om de pesticide-eigenschappen van het door deze bacteriën geproduceerde toxine te bepalen. Vanwege de positieve resultaten van deze onderzoeken is Bacillus thuringiensis wereldwijd het meest gebruikte biologische insecticide geworden om plagen te bestrijden die verschillende gewassen beschadigen en negatief beïnvloeden.

Bron: Pixabay.com

Op Bacillus thuringiensis gebaseerde bio-insecticiden zijn in de loop van de tijd geëvolueerd. Van de eersten die alleen sporen en kristallen bevatten, tot degenen die bekend staan ​​als derde generatie die recombinante bacteriën bevatten die het bt-toxine genereren en die voordelen hebben zoals het bereiken van plantenweefsels.

Het belang van het toxine dat door deze bacterie wordt geproduceerd, is dat het niet alleen werkzaam is tegen insecten, maar ook tegen andere organismen zoals nematoden, protozoa en trematoden.

Het is belangrijk om duidelijk te maken dat dit toxine volkomen onschadelijk is in andere soorten levende wezens, zoals gewervelde dieren, een groep waartoe mensen behoren. Dit komt omdat de interne omstandigheden van het spijsverteringsstelsel niet ideaal zijn voor de proliferatie en het effect ervan.

Bacillus thuringiensis

Dankzij technologische vooruitgang, met name de ontwikkeling van recombinant-DNA-technologie, is het mogelijk om planten te creëren die genetisch immuun zijn voor het effect van insecten die grote schade aanrichten aan gewassen. Deze planten zijn algemeen bekend als transgene voedingsmiddelen of genetisch gemodificeerde organismen.

Deze technologie bestaat uit het identificeren binnen het genoom van de bacterie de sequentie van genen die coderen voor de expressie van toxische eiwitten. Deze genen worden later overgebracht naar het genoom van de te behandelen plant.

Wanneer de plant groeit en zich ontwikkelt, begint hij het toxine te synthetiseren dat eerder werd geproduceerd door Bacillus thuringiensis, en is dan immuun voor de werking van insecten.

Er zijn verschillende fabrieken waarin deze technologie is toegepast. Onder deze zijn maïs, katoen, aardappelen en sojabonen. Deze gewassen staan ​​bekend als bt-maïs, bt-katoen, enz.

Natuurlijk hebben deze transgene voedingsmiddelen enige bezorgdheid bij de bevolking gewekt. In een rapport gepubliceerd door de United States Environment Agency werd echter vastgesteld dat deze voedingsmiddelen tot op heden geen enkele vorm van toxiciteit of schade vertoonden, noch bij mensen, noch bij hogere dieren.

Effecten op het insect

De kristallen van B. thuringiensis lossen op in de darm van het insect met hoge pH en de protoxines, en andere enzymen en eiwitten komen vrij. Zo worden de protoxines actieve toxines die zich binden aan gespecialiseerde receptormoleculen op de cellen van de darm.

Het B. thuringiensis-toxine produceert bij het stoppen van inslikken door insecten, verlamming van de darmen, braken, onevenwichtigheden in de uitscheiding, osmotische decompensatie, algemene verlamming en uiteindelijk de dood.

Door de werking van het toxine treedt ernstige schade op in het darmweefsel die de werking ervan verhindert en de opname van voedingsstoffen beïnvloedt.

Darm van 'Caenorhabditis elegans' besmet met 'Bacillus thuringiensis'. Bron: www.researchgate.net

Aangenomen werd dat de dood van het insect veroorzaakt zou kunnen worden door de ontkieming van sporen en de proliferatie van vegetatieve cellen in de hemocèle van het insect.

Men denkt echter dat de mortaliteit meer afhangt van de werking van commensale bacteriën die in de darm van het insect leven en dat ze na de werking van het B. thuringiensis-toxine bloedvergiftiging kunnen veroorzaken.

Het B. thuringiensis-toxine heeft geen invloed op gewervelde dieren, omdat de vertering van voedsel in de laatste plaatsvindt in zure media, waar het toxine niet wordt geactiveerd.

De hoge specificiteit bij insecten valt op, vooral bekend van Lepidoptera. Het wordt als onschadelijk beschouwd voor de meeste entomofauna en heeft geen schadelijke werking op planten, dat wil zeggen, het is niet fytotoxisch.

Referenties

1. Hoffe, H. en Whiteley, H. (1989, juni). Insecticide kristaleiwitten van Bacillus thuringiensis. Microbiologische recensie. 53 (2). 242-255.
2. Martin, P. en Travers, R. (1989, oktober). Wereldwijde overvloed en distributie van toegepaste en omgevingsmicrobiologie van Bacillus thuringiensis. 55 (10). 2437-2442.
3. Roh, J., Jae, Y., Ming, S., Byung, R. en Yeon, H. (2007). Bacillus thuringiensis als een specifiek, veilig en effectief hulpmiddel voor insectenbestrijding. Journal of Microbiology and Biotechnology.17 (4). 547-559
4. Sauka, D. en Benitende G. (2008). Bacillus thuringiensis: algemeenheden. Een benadering van het gebruik ervan bij de biologische bestrijding van lepidoptera-insecten die landbouwongedierte zijn. Argentijnse Journal of Microbiology. 40. 124-140
5. Schnepf, E., Crickmore, N., Van Rie, J., Lereclus, D., Baum, J., Feitelson, J., Zeigler, D., en Dean H. (1998, september). Bacillus thuringiensis en zijn pesticide kristaleiwit. Microbiologie en moleculaire biologie beoordelingen. 62 (3). 775-806.
6. Villa, E., Parrá, F., Cira, L. en Villalobos, S. (2018, januari). Het geslacht Bacillus als biologische bestrijdingsmiddelen en hun implicaties voor de bioveiligheid in de landbouw. Mexican Journal of Phytopathology. Online publicatie.