Стратегия бактерий Bacillus thuringiensis поможет контролировать сельскохозяйственных вредителей
Объект исследования: личинка большой вощинной огневки Galleria mellonella
© Архив авторов исследования.
Бактерии Bacillus thuringiensis применяются как основа биопрепаратов для защиты растений от насекомых-вредителей. Российские ученые совместно с зарубежными коллегами выяснили, что стратегия жизненного цикла бактерий после смерти хозяина может различаться. Она зависит от того, был ли вредитель восприимчив к ним или уже успел сформировать устойчивость. Основываясь на полученных данных, можно разработать подходы для преодоления сопротивляемости к бактериям у насекомых. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Microbial Pathogenesis.
Bacillus thuringiensis – бактерии, способные заражать насекомых-вредителей сельского хозяйства, размножаясь в них и разрушая их пищеварительную систему токсинами. Поэтому такие бактерии можно использовать для контроля численности насекомых, то есть в качестве биопестицидов. Также при помощи гена эндотоксина бактерий B. Thuringiensis создаются генетически модифицированные растения, устойчивые к вредителям. Жизненный цикл этих бактерий не заканчивается вместе с гибелью хозяина. После нее наступает некротрофная стадия, во время которой бактерии используют погибших насекомых как среду для размножения. Когда питательные вещества заканчиваются, наступает фаза спорообразования – бактерии формируют спору и кристаллический эндотоксин. Механизмы, благодаря которым насекомые могут сопротивляться бактериям B. thuringiensis, очень разнообразны. Специалисты активно изучают и анализируют их, чтобы преодолеть формирование популяций вредителей, устойчивых к бактериям.
Ученые из Новосибирского государственного аграрного университета (Новосибирск) вместе с коллегами исследовали развитие инфекции, вызванной B. thuringiensis subsp. galleriae (смесь спор B. thuringiensis и кристаллического эндотоксина, вырабатываемого бактерией во время спорообразования) на двух популяциях личинок вощинной огневки Galleria mellonella. Гусеницы этих насекомых поедают воск, мед и повреждают соты, нанося этим ущерб пчеловодству. Вощинную огневку, как и муху дрозофилу, широко используют по всему миру как объект лабораторных исследований. Механизмы сопротивляемости этих насекомых были изучены ранее, а в этом исследовании ученые выясняли, какую стратегию выберут бактерии, которые преодолели защитные барьеры устойчивых насекомых и привели к гибели организм хозяина.
Специалисты заражали восприимчивых (неустойчивых) и резистентных (устойчивых) насекомых бактериями B. thuringiensis subsp. galleriae, скармливая их каждой гусенице при помощи тупоконечной иглы и микроиньектора. Затем исследователи сравнивали иммунный ответ. В течение 48 часов большая часть особей, устойчивых к B. thuringiensis, очистила кишечник от бактерий, в том числе при помощи антибактериального пептида гловерина. Это подтвердило предположение о том, что уровень таких пептидов повышается у насекомых в ответ на воздействие B. thuringiensis.
Однако оказалось, что часть бактерий способна пережить усиленную иммунную защиту насекомых и привести к гибели хозяина. Такие субпопуляции продолжают развиваться и размножаться внутри трупа, конкурируя с микробиомом его средней кишки за питательные вещества. Они быстрее переходят к образованию спор и кристаллического токсина, сохраняя такую стратегию в последующих поколениях. С одной стороны, это необходимо, чтобы избежать длительного воздействия агрессивной защитной среды устойчивого хозяина, а с другой — чтобы сохраниться и образовать токсины, которые будут использоваться для дальнейшего заражения других насекомых.
«Мы хотим создать более эффективные инсектициды и предотвратить формирование сопротивляемости у насекомых к биопрепаратам. Для этого мы сейчас отбираем бактерии, способные вызвать гибель устойчивого хозяина, выясняем, какие токсины и ферменты продуцируют бактерии, чтобы быстрее побеждать резистентных насекомых. Полученные данные позволят нам разработать инновационные подходы контроля численности сельскохозяйственных вредителей», – рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Гризанова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Новосибирского государственного аграрного университета.
В работе также приняли участие исследователи из Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск), Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) и Университета Суонси (Великобритания).