Potentiality of native Bacillus thuringiensis isolates against the destructive pest, Plutella xylostella (L.) (Lepidoptera: Plutellidae)

In der Welt der Landwirtschaft gibt es kaum Schädlinge, die so hartnäckig oder schädlich sind wie der Diamantbackenmotte. Dieses kleine Insekt, dessen Larvenstadien Kreuzblütler wie Kohl, Blumenkohl und Brokkoli fressen, ist zu einem globalen Problem für Landwirte geworden. Die Motte ist berüchtigt für ihre Fähigkeit, fast jedes chemische Spray zu überleben, das gegen sie eingesetzt wird. Über Jahrzehnte intensiver Pestizidnutzung hat die Motte eine genetische Rüstung entwickelt, die viele der weltweit gebräuchlichsten Gifte nutzlos macht. Wenn Chemikalien versagen, greifen Landwirte oft zu biologischen Alternativen, insbesondere einem im Boden lebenden Bakterium namens Bacillus thuringiensis. Dieses Bakterium ist ein natürlicher Fressfeind vieler Insektenlarven. Es wirkt, indem es winzige, kristalline Proteine produziert, die wie biologische Schlüssel funktionieren. Wenn eine hungrige Raupe die Bakterien frisst, lösen sich diese Kristalle in ihrem Darm auf und setzen Toxine frei, die Löcher in die Verdauungslinie des Insekts schlagen, was dazu führt, dass es die Nahrungsaufnahme einstellt und schließlich stirbt. Jahrelang haben sich Landwirte auf spezifische Stämme dieses Bakteriums verlassen, aber die Motte lernt dazu. Genau wie sie lernte, gegen chemische Sprays resistent zu werden, beginnen Populationen der Diamantbackenmotte auch gegen die Standard-Bakterientoxine resistent zu werden, was einen dringenden Bedarf an neuen, vielfältigeren biologischen Waffen schafft.

Forscher der Tamil Nadu Agricultural University in Indien machten sich auf die Suche nach diesen neuen Waffen, indem sie näher zu Hause suchten. Anstatt sich auf die wenigen, bekannten Bakterienstämme zu verlassen, die in kommerziellen Produkten verwendet werden, richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf den Boden selbst. Sie sammelten achtundfünfzig verschiedene einheimische Stämme von Bacillus thuringiensis aus lokalen Umgebungen, in der Hoffnung, dass diese einheimischen Mikroben Geheimnisse bewahren könnten, die den Standard-Laborstämmen verloren gegangen sind. Das Team behandelte diese achtundfünfzig Proben wie eine riesige Bibliothek potenzieller Lösungen und untersuchte sie darauf, welche die genetischen Baupläne für die effektivsten insektenabtötenden Proteine trugen. Sie suchten nach einer spezifischen Kombination von Genen, die unterschiedliche Arten von Toxinen produzieren, da sie glaubten, dass eine Mischung aus verschiedenen Angriffsstrategien für die Motte schwerer zu bekämpfen sei als eine einzige Art.

Die Untersuchung begann mit einer visuellen Inspektion der im Labor wachsenden Bakterien. Die Forscher beobachteten, dass die einheimischen Stämme nicht alle gleich waren; sie bildeten Kolonien mit unterschiedlichen Formen und Texturen, was auf tiefe genetische Unterschiede unter der Oberfläche hindeutete. Um die tatsächlichen Waffen zu sehen, die diese Bakterien trugen, nutzte das Team leistungsstarke Mikroskope, um die produzierten Kristalle der vielversprechendsten Kandidaten zu untersuchen. Sie fanden eine faszinierende Vielfalt an Formen. Einige Bakterien produzierten Kristalle, die wie zwei an ihren Basen verbundene Pyramiden aussah, während andere würfelartige Strukturen oder runde Sphären bildeten. In der Welt dieser Bakterien ist die Form ein direkter Hinweis auf die Funktion. Die pyramidenförmigen Kristalle tragen typischerweise eine Art von Toxin, während die würfelartigen eine andere tragen. Die Forscher fanden heraus, dass viele ihrer einheimischen Stämme nicht auf nur eine Form beschränkt waren; sie produzierten eine Mischung, was darauf hindeutete, dass sie das Ungeziefer gleichzeitig auf mehrere Arten angreifen konnten.

Um zu bestätigen, was sie unter dem Mikroskop sahen, wandten sich die Wissenschaftler der Molekularbiologie zu. Sie extrahierten DNA aus den Bakterien und nutzten die Technik der Polymerase-Kettenreaktion, um nach spezifischen Genen zu suchen, die für insektizide Toxine bekannt sind. Sie suchten nach Genen, die für drei Haupttypen von Proteinen kodieren: Cry1, Cry2 und Vip3A. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Jeder der zwölf vielversprechendsten Isolate trug das Gen für Cry1, das häufigste Toxin. Die Diversität ging jedoch weit darüber hinaus. Mehrere dieser einheimischen Stämme trugen auch das Gen für Cry2, und eine noch größere Anzahl trug das Gen für Vip3A. Letzteres Gen ist besonders wichtig, da es ein Toxin produziert, das anders wirkt als die anderen und das Insekt auf eine Weise angreift, die sich von den Standardtoxinen unterscheidet. Entscheidend war, dass die Forscher fanden, dass einige dieser einheimischen Stämme alle drei Arten von Genen gleichzeitig besaßen. Diese genetische Vielfalt bildete einen starken Kontrast zur begrenzten Varietät der heute von Landwirten verwendeten Standard-Kommerzialstämme.

Das Team ging dann vom Labortisch zum lebenden Insekt über, um zu testen, ob sich diese genetischen Vorteile in realer Macht niederschlagen. Sie nahmen die zwölf vielversprechendsten Bakterienstämme und fütterten sie unter kontrollierten Bedingungen an Diamantbackenmotten-Larven. Sie maßen, wie viel des bakteriellen Proteins benötigt wurde, um die Hälfte der Larven zu töten, ein Standardverfahren, um die Stärke eines Giftes zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass mehrere der einheimischen Stämme unglaublich potent waren. Drei spezifische Stämme, identifiziert durch die Codes RM12, T20B und T32, waren genauso tödlich wie der Goldstandard-Referenzstamm, der in kommerziellen Produkten verwendet wird. In der Tat benötigte der effektivste einheimische Stamm nur einen winzigen Bruchteil eines Mikrogramms Protein pro Milliliter Wasser, um das gleiche tödliche Ergebnis wie die besten bekannten kommerziellen Bakterien zu erzielen. Die anderen einheimischen Stämme waren ebenfalls effektiv, wenn auch etwas weniger potent, aber sie demonstrierten alle eine klare Fähigkeit, das resistente Ungeziefer zu töten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der Boden ein riesiges, ungenutztes Reservoir an biologischer Vielfalt beherbergt, das der Schlüssel zur Rettung der Kreuzblütler-Kulturen sein könnte. Die Forscher fanden heraus, dass diese einheimischen Bakterien nicht bloße Kopien der bereits auf dem Markt befindlichen sind; sie sind genetisch einzigartig, tragen eine breitere Palette an Toxin-Genen und produzieren eine vielfältigere Mischung aus Kristallformen. Diese Vielfalt ist der wertvollste Besitz, da sie einen komplexen Angriff bietet, gegen den die Diamantbackenmotte viel schwerer eine Resistenz entwickeln kann. Obwohl die Studie in einer Labor- und Gewächshausumgebung durchgeführt wurde, legen die Ergebnisse nahe, dass diese einheimischen Stämme zu neuen Biopestiziden entwickelt werden könnten. Durch die Verwendung einer Mischung aus verschiedenen Toxinen dieser einheimischen Bakterien könnten Landwirte in der Lage sein, die Motte durch ihre Resistenz zu überlisten und so einen nachhaltigen Weg für den Gemüseanbau in einer Welt zu eröffnen, in der chemische Optionen zunehmend versagen. Die Arbeit hebt hervor, dass die Lösung für eine moderne landwirtschaftliche Krise möglicherweise nicht in der Erfindung von etwas völlig Neuem liegt, sondern im Wiederentdecken der komplexen, natürlichen Vielfalt, die bereits im Boden unter unseren Füßen existiert.