Бактерий научили эффективнее бороться с насекомыми-вредителями

Ученые из России с коллегами из Ирландии и Великобритании определили, что бактерии Bacillus thuringiensis после трех суток роста на твердой среде — питательной основе для культивирования микроорганизмов, которая имеет плотную структуру, — вызывают в два раза более высокую смертность личинок вощинной огневки по сравнению с бактериями, выращенными в жидкой питательной среде.

На третий день роста на твердой среде колонии микроорганизмов содержат больше спор и токсинов, что делает их более опасными для вредителей. Данные о том, как живут и развиваются бактерии Bacillus thuringiensis, помогут создать эффективные биологические инсектициды — препараты на основе микроорганизмов для защиты растений от вредителей, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Bacillus thuringiensis — бактерии, которые уже больше 100 лет используются в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми-вредителями, например, личинками бабочек, жуков, комаров и мух (колорадского жука, капустной совки, капустной моли и других). При этом бактерии безопасны для человека и полезных насекомых, например, пчел и божьих коровок, так как их токсины действуют только на определенные отряды насекомых. Эти вещества, в частности Cry-токсины, вырабатываются бактериями в процессе образования спор — структур, необходимых для переживания неблагоприятных условий. Когда Cry-токсины вместе со спорами попадают в организм насекомого, они разрушают его кишечник, что приводит к гибели. 

Споры Bacillus thuringiensis обеспечивают устойчивость бактерий к внешним условиям, а при прорастании в кишечнике насекомого выделяют дополнительные ферменты, которые усиливают действие Cry-токсина и обеспечивают эффективную борьбу с иммунитетом вредителя. Все это делает бактерии Bacillus thuringiensis пригодными для защиты растений от вредителей в сельском хозяйстве.

Попадая в организм насекомого, Bacillus thuringiensis проходит три стадии развития. Сначала бактерии активно размножаются в теле хозяина, вырабатывают факторы вирулентности — «оружие» бактерий, которое может усилить действие Cry-токсина или помочь избежать иммунитета хозяина, — и вызывают его гибель (вирулентная стадия). Далее бактерии используют питательные вещества из погибших клеток насекомого после его гибели (некротрофная стадия) и в завершение, в условиях отсутствия питательных веществ, образуют споры и новые Cry-токсины для выживания (стадия споруляции). При этом бактерия может расти как в жидкой, так и на твердой среде. 

Жидкая среда чаще всего используется для биотехнологического производства биопрепаратов и отдаленно моделирует условия, когда бактерия находится в гемолимфе («крови») насекомого, а твердая — это среда естественного обитания бактерий вне хозяина, например на листьях растений и поверхности почвы. Однако оставалось не до конца понятным, как эти условия влияют на стратегию развития и вирулентность бактерий, то есть их способность вызвать гибель насекомого при заражении.

Ученые из Новосибирского государственного аграрного университета (Новосибирск) с коллегами из Университета Голуэя (Ирландия) и Университета Суонси (Великобритания) сравнили, как условия роста Bacillus thuringiensis — в жидкой среде или на твердой поверхности — влияют на ее вирулентность. В качестве модельного насекомого исследователи использовали лабораторную группу личинок вощинной огневки, которая в природе съедает мед, пергу и соты пчел в ульях, из-за чего вредит пчеловодству.

В исследовании ученые выращивали Bacillus thuringiensis в разных условиях и измеряли скорость роста и образования спор, а также активность генов, связанных с вирулентностью. Затем этими бактериями заражали личинок вощинной огневки, чтобы сравнить, насколько эффективно микроорганизмы, выращенные в разных условиях, вызывают гибель насекомых.

Результаты показали, что бактерии, которые росли в виде колоний на твердой среде в течение трех суток, вызывали в два раза более высокую смертность личинок, чем бактерии, выращенные в жидкой среде. В этот период колонии содержали больше спор и Cry-токсинов, что приводило к более высокой смертности насекомых при заражении. Однако к седьмому дню роста различия в вирулентности между выращенными в разных условиях бактериями исчезли, так как большинство клеток в обеих популяциях завершили процесс образования спор и производства Cry-токсинов.

Ученые также исследовали активность ключевых генов, контролирующих жизненный цикл Bacillus thuringiensis. Оказалось, что на твердой среде активность гена, отвечающего за этап спорообразования и продукцию Сry-токсина, к третьему дню роста была значительно выше, чем в жидкой среде. При этом активность гена, отвечающего за продукцию дополнительных факторов вирулентности, была высокой как у бактерий в жидкой, так и на твердой среде. Однако для бактерий в жидкой среде в отсутствии Cry-токсина это не дало преимуществ.

Таким образом, отличие заключается в том, что в твердой среде процесс образования спор и производства Cry-токсинов начинается раньше, что делает бактерии более опасными для насекомых-вредителей. Кроме того, в этой популяции бактерий происходит «разделение труда». Часть клеток занимается спорообразованием и продукцией Cry-токсина, а другая часть активно вырабатывает дополнительные факторы вирулентности. Ученые предполагают, что такое разнообразие жизненных стадий позволяет популяции микроорганизмов лучше адаптироваться к изменяющимся условиям среды и повышать способность к выживанию.

Знать, как условия роста Bacillus thuringiensis влияют на способность заражать насекомых, важно, чтобы создавать более эффективные биопестициды. Ученые подчеркивают, что для массового производства таких средств защиты от вредителей нужно, чтобы бактерия завершила процесс образования спор. Как показало исследование, при культивировании бактерий на твердой среде процесс споруляции наступает быстрее.

«В будущих исследованиях мы планируем изучить жизненный цикл популяций Bacillus thuringiensis в организме насекомых после инъекции, что поможет лучше понять, как бактерии адаптируются к различным условиям внутри хозяина и как сделать биопрепараты более эффективными», — рассказала руководитель проекта, Екатерина Гризанова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, доцент кафедры защиты растений Новосибирского государственного аграрного университета.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Journal of Invertebrate Pathology.