Сельское хозяйство является одной из важнейших для человечества отраслей, призванной обеспечить нас качественными и полезными продуктами питания. Рост числа жителей планеты (а по некоторым прогнозам, к 2050 году нас будет уже почти 10 млрд) создает дополнительные вызовы для обеспечения продовольственной безопасности: как накормить все население земного шара и при этом не уничтожить экологию, ведь сельское хозяйство является одной из областей деятельности человека, существенно загрязняющих окружающую среду?
Фото: Анастасия Илюшина, Коммерсантъ
Фото: Анастасия Илюшина, Коммерсантъ
Потери урожая сельскохозяйственных растений от вредоносных организмов могут превышать 50% (около 10% от общего урона приходится на насекомых-вредителей), а без использования средств защиты растений он может быть уничтожен практически полностью, поэтому отказаться от их применения в настоящий момент невозможно. Ежегодно во внешнюю среду попадают около 2 млн тонн пестицидов — веществ, помогающих бороться с вредоносными организмами. Химические пестициды дают быстрый эффект, однако избирательность действия не столь высока, и в результате страдают нецелевые организмы, полезные для человека, такие как божьи коровки, златоглазки и пчелы. Кроме того, многие насекомые-вредители, такие, например, как колорадский жук, способны приобретать устойчивость к химическим пестицидам. Также существует проблема накопления токсичных веществ или продуктов их распада в получаемой продукции и во внешней среде. По этой причине применение химических пестицидов не рекомендуется, например, на охраняемых территориях, для обеспечения сохранности редких и исчезающих видов, а также при производстве продуктов для детского питания.
Как же решить важнейшую проблему борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений и обеспечить минимизацию ущерба окружающей среде? На помощь работникам сельского хозяйства приходят бактерии. Да-да, большинство из нас знает про эти микроорганизмы в связи с их патогенными свойствами, участием в развитии ряда инфекционных заболеваний человека и животных. Но есть и бактерии, не только полностью безопасные для человека и других позвоночных, но и обладающие уникальной способностью эффективно и специфично уничтожать определенных насекомых — чешуекрылых (бабочек), жесткокрылых (жуков) или двукрылых (например, мух и комаров).
Имя этим бактериям — бациллюс турингиенсис (Bacillus thuringiensis Berl.), часто их сокращенно называют БТ. Введенные в практику защиты растений от насекомых-вредителей около 100 лет назад, БТ показали высокую эффективность и специфичность, а также свою практически полную безопасность для человека, других позвоночных и иных нецелевых групп организмов. Отражением этих уникальных свойств БТ является то, что они занимают лидирующее место на мировом рынке биологических препаратов для борьбы с насекомыми-вредителями, с ежегодным приростом объемов производства более 10%.
Что же делает БТ столь эффективными и специфичными? Для того чтобы разобраться с этим, нужно обратиться к биологии всей группы бациллюс (Bacillus). Эти крошечные организмы обитают почти повсеместно, в самых разных условиях: от арктических тундр до жарких пустынь. В основном они живут в почве, но их можно найти и на растениях, а еще некоторые из них могут вызывать различные заболевания у самых разных насекомых. Можно сказать, что когда-то они решили научиться выживать в любых условиях и средах и у них это успешно получилось. В этом им помогла способность очень быстро обмениваться между собой генетической информацией о различных приспособлениях. По сути, их геном, в котором записана информация об устройстве всей бактериальной клетки, представляет собой конструктор. Как только у кого-то из бациллюсов появляется новое приспособление, помогающее ему выживать, информация о нем быстро распространяется среди других подобных бактерий. Такая способность есть почти у всех живых организмов, но у бактерий группы Bacillus она развита очень сильно, а арсенал приспособлений позволяет подобрать «кубик конструктора» почти для любой ситуации.
Что же еще объединяет бациллюсов помимо общего генетического «набора кубиков на все случаи жизни»? Важными отличительным чертами всех представителей этой группы являются их палочкообразная форма и способность формировать споры. Почти как медведи впадают зимой в спячку, чтобы переждать холодное время года, так и у этих бактерий клетки покрываются толстой оболочкой и прекращают всякую активность при наступлении неблагоприятных условий.
Теперь вернемся непосредственно к бактериям БТ. Когда-то предки этих бактерий обнаружили, что жить в почве крайне сложно: питательных веществ, которые нужны для жизни, мало, зато много самых разных других бактерий, с которыми приходится конкурировать. С другой стороны, есть личинки насекомых, которые богаты питательными веществами и содержат не так много других микроорганизмов вне своего пищеварительного тракта. Поэтому, если удастся убить личинку, питательных веществ там хватит на несколько поколений бактерий. Так и устроена жизнь БТ: когда им удается с пищей попасть внутрь личинки жука, бабочки или другого насекомого, они используют весь их богатый арсенал приспособлений, чтобы убить ее. Затем бактерии активно питаются погибшей личинкой, при этом растут и размножаются. Когда же питательных веществ от личинки больше не остается, бактерии расползаются по почве или растениям и в виде спор ждут следующую личинку.
Стоит отметить, что при всей кажущейся простоте стратегии БТ она не такая уж и простая в реализации. Дело в том, что насекомых невероятное количество разных видов. Это самая разнообразная группа живых организмов из известных на настоящий момент. И те приемы, которые сработают на личинках одного вида, не сработают против других. Можно представить, что у каждого насекомого есть свой замок, который нужно открыть, чтобы получить доступ к запасу питательных веществ. И нужно к каждому замку подобрать свой ключ. Так и есть в действительности: у каждой бактерии БТ есть набор ключей, которые позволяют им убивать личинки определенной группы насекомых. Очевидно, что одна бактериальная клетка не в состоянии собрать все ключи от всех насекомых. Поэтому, как у людей никто не может знать все и каждый человек обладает знаниями для работы в определенной профессии, так и бактерии БТ делятся на группы, специализирующиеся на отдельных отрядах насекомых.
Как же БТ смогли подобрать «ключи» к поражаемым насекомым? Эти бактерии имеют широкий арсенал разнообразных молекул, называемых «факторами вирулентности», которые и помогают бактериям одолеть насекомое. Важную роль среди факторов вирулентности играют бактериальные токсины. Наиболее детально изученные токсины БТ называются Cry (от crystal — «кристалл»). Это большая группа белков, образующих естественным образом кристаллы. Попадая в кишечник насекомых вместе с пищей, белки Cry проходят несколько стадий. Сначала белковый кристалл растворяется под действием щелочной среды кишечника, затем пищеварительные ферменты расщепляют белковую молекулу на более короткие фрагменты — так образуется активная форма токсина. Активированный токсин связывается с рецепторами на поверхности эпителиальных клеток кишечника насекомых, формирует пору и происходит разрушение клеток кишечника. Разнообразие участков белков Cry, отвечающих за взаимодействие с рецепторами, является одной из основных причин высокой специфичности БТ к различным группам насекомых. Многочисленные повреждения приводят к неконтролируемому проникновению разрушенных клеток, бактерий и компонентов микрофлоры во внутренние органы насекомых, что приводит к септецимии (заражению крови) и гибели насекомых. Интересный факт, что совместное действие Cry-токсина и спор бактерий дает синергетический эффект, то есть повышение процента гибели вредителей, в том числе колорадского жука. В связи с этим биологические препараты против насекомых-вредителей создаются именно на основе споро-кристаллической смеси бактерий БТ.
Не так широко известно, что насекомые тоже пытаются противостоять инфекции, вызываемой БТ. Сопротивление развитию инфекционного процесса становится возможным, благодаря внешним системам защиты, таким как прочный хитиновый покров насекомых, покрывающих насекомых не только снаружи, но и внутри — в кишечнике, и в трахеях. Способность кишечника к восстановлению приводит к быстрому замещению поврежденных токсином эпителиальных клеток и, как следствие, может приводить к выздоровлению насекомых. Следует отметить, что такой механизм устойчивости эффективен при небольшом количестве попавших в насекомое бактерий. Проникновение спор или вегетативных клеток бактерий в полость тела (гемоцель) насекомых может быть поймано иммунной системой насекомых при помощи реакций коагуляции (свертываемости крови), фагоцитоза и инкапсуляции (заключение в капсулу чужеродных объектов группой клеток крови), в которой участвуют клетки крови насекомых. Кроме того, микробиота насекомых вносит значительный вклад в сопротивляемость организма инфекционным агентам благодаря синтезу антибиотиков в просвет кишечника. В то же время некоторые представители микробиоты могут изменять стратегию поведения с симбиотической на патогенную и таким образом, напротив, усиливать развитие инфекционного процесса.
Некоторые насекомые способны не только сопротивляться инфекциям, вызываемым БТ, но и формировать устойчивость (резистентность) к ним, однако в отличие от химических препаратов устойчивость формируется намного дольше и значительно слабее. Что бы знать, как навредить вредителю, нужно понять, как они защищаются. Тогда возможно разрабатывать добавки к биопрепаратам, блокирующие устойчивость вредителей. В основном формирование устойчивости происходит к «ключикам бактерий» — белковому эндотоксину бактерий (те самые кристаллы Cry). Механизмы устойчивости насекомых основаны на процессах, происходящих на молекулярном уровне действия токсинов БТ. Устойчивость в том числе может быть связана с мутациями генов, ответственных за кислотность среды кишечника, за конформацию рецепторов на поверхности эпителиальных клеток кишечника, за пищеварительные ферменты (протеазы) кишечника, которые участвуют в процессе растворения и активации белкового эндотоксина бактерий БТ. Например, в кишечнике бабочки амбарной огневки Plodia interpunctella, устойчивой к бактериям БТ, отсутствовала необходимая протеаза (фермент, участвующий в расщеплении других белков на простые компоненты), вследствие чего происходила неполная активация токсина.
А знали ли вы, что насекомые способны синтезировать антимикробные белки, которые действуют как антибиотики и могут разрушать проникшие в кишечник и полость тела микроорганизмы? Изучение вощинной огневки Galleria mellonella и других насекомых, сформировавших устойчивость к бактериям БТ, показало, что кровь, кишечник и жировое тело (запасающий орган у насекомых) содержат целый спектр антибактериальных веществ, синтез которых усиливается при заражении насекомых бактериями и помогает противостоять развитию болезни. Блокирование продукции антибактериального белка гловерина приводит к снижению устойчивости насекомых и большей гибели от бактерий БТ.
Таким образом, физиологические адаптации насекомых и механизмы устойчивости к бактериям БТ многогранны и требуют внимания при разработке современных методов контроля численности насекомых вредителей сельского хозяйства. В России доля препаратов на основе БТ в общем объеме инсектицидов пока невысока, так как они несколько дороже в производстве и порой сложнее в применении, чем химические пестициды, однако спрос на них в последние годы возрастает в связи с повышением требований к качеству и экологичности продуктов питания, а также вниманием к снижению химической нагрузки на окружающую среду. Российскими микробиологами накоплен большой опыт создания и производства биологических препаратов на основе БТ, введенных в практику в нашей стране еще около 60 лет назад, создающий основы для оптимизма в отношении развития масштабного производства этих современных, безопасных и эффективных полифункциональных препаратов, пригодных для применения в активно развивающемся сейчас органическом земледелии.
Кирилл Антонец, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник ФГБНУ ВНИИСХМ, ведущий научный сотрудник СПбГУ, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год; Екатерина Гризанова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник НГАУ, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2018 год; Антон Нижников, доктор биологических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник ФГБНУ ВНИИСХМ, профессор СПбГУ, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год
Читайте также: Гигантская сколопендра