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

In de wereld van de landbouw zijn weinig plagen zo hardnekkig of zo schadelijk als de diamantrugmot. Dit kleine insect, waarvan het larvale stadium zich voedt met kruisbloemige groenten zoals kool, bloemkool en broccoli, is een wereldwijde hoofdpijn voor boeren geworden. De mot staat bekend om zijn vermogen om bijna elke chemische spray te overleven die erop wordt gespoten. Door decennia van intensief gebruik van insecticiden heeft de mot een genetisch pantser ontwikkeld, waardoor veel van de meest gebruikte gifstoffen ter wereld nutteloos zijn geworden. Wanneer chemicaliën falen, wenden boeren zich vaak tot biologische alternatieven, specifiek een in de bodem levende bacterie genaamd Bacillus thuringiensis. Deze bacterie is een natuurlijke vijand van veel insectenlarven. Het werkt door minuscule, kristallijne eiwitten te produceren die fungeren als biologische sleutels. Wanneer een hongerige rups de bacteriën eet, lossen deze kristallen op in zijn darm, waarbij toxines vrijkomen die gaten in de spijsverteringswand van het insect slaan, waardoor het stopt met eten en uiteindelijk sterft. Jarenlang hebben boeren vertrouwd op specifieke stammen van deze bacterie, maar de mot begint er ook grip op te krijgen. Net zoals de mot leerde om resistent te worden tegen chemische sprays, beginnen populaties van de diamantrugmot nu ook resistent te worden tegen de standaard bacteriële toxines, wat een dringende behoefte creëert aan nieuwe, meer diverse biologische wapens.

Onderzoekers aan de Tamil Nadu Agricultural University in India gingen op zoek naar deze nieuwe wapens door dichter bij huis te kijken. In plaats van te vertrouwen op de weinige, bekende bacteriestammen die in commerciële producten worden gebruikt, richtten zij hun aandacht op de bodem zelf. Ze verzamelden achtenvijftig verschillende inheemse stammen van Bacillus thuringiensis uit lokale omgevingen, in de hoop dat deze inheemse microben geheimen konden bevatten die de standaard laboratoriumstammen kwijt zijn geraakt. Het team behandelde deze achtenvijftig monsters als een enorme bibliotheek van potentiële oplossingen en screende ze om te zien welke de genetische blauwdrukken droegen voor de meest effectieve insecten-dodelijke eiwitten. Ze zochten naar een specifieke combinatie van genen die verschillende soorten toxines produceren, in de overtuiging dat een mix van verschillende aanvalsstrategieën moeilijker te weerstaan zou zijn voor de mot dan een enkel type.

Het onderzoek begon met een visuele inspectie van de bacteriën die in het laboratorium groeiden. De onderzoekers observeerden dat de inheemse stammen niet allemaal hetzelfde waren; ze vormden kolonies met verschillende vormen en texturen, wat hintte op diepe genetische verschillen onder de oppervlakte. Om de werkelijke wapens te zien die deze bacteriën droegen, gebruikten het team krachtige microscopen om de kristallen te bestuderen die door de meest veelbelovende kandidaten werden geproduceerd. Ze vonden een fascinerende variëteit aan vormen. Sommige bacteriën produceerden kristallen die leken op twee piramides die met hun bases aan elkaar verbonden waren, terwijl anderen kubusvormige structuren of ronde sferen maakten. In de wereld van deze bacteriën is vorm een directe aanwijzing voor functie. De piramidevormige kristallen dragen doorgaans één type toxine, terwijl de kubusvormige kristallen een ander type dragen. De onderzoekers ontdekten dat veel van hun inheemse stammen niet beperkt waren tot slechts één vorm; ze produceerden een mix, wat suggereerde dat ze de plaag gelijktijdig op meerdere manieren konden aanvallen.

Om te bevestigen wat ze onder de microscoop zagen, stapten de wetenschappers over op moleculaire biologie. Ze extraheerden DNA uit de bacteriën en gebruikten een techniek genaamd polymerasekettingreactie om te zoeken naar specifieke genen die bekend staan om het produceren van insecticidale toxines. Ze zochten naar genen die coderen voor drie hoofdtypen eiwitten: Cry1, Cry2 en Vip3A. De resultaten waren opmerkelijk. Elke van de twaalf meest veelbelovende isolaten droeg het gen voor Cry1, het meest voorkomende toxine. Echter, de diversiteit ging veel verder. Verschillende van deze inheemse stammen droegen ook het gen voor Cry2, en een nog groter aantal droeg het gen voor Vip3A. Dit laatste gen is bijzonder belangrijk omdat het een toxine produceert dat anders werkt dan de andere, door de insect op een manier aan te pakken die de standaard toxines niet doen. Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat sommige van deze inheemse stammen alle drie de typen genen tegelijk bezaten. Deze genetische diversiteit vormde een scherp contrast met de beperkte variëteit die wordt gevonden in de standaard commerciële stammen die boeren vandaag de dag gebruiken.

Het team verplaatste zich vervolgens van de laboratoriumtafel naar het levende insect om te testen of deze genetische voordelen vertaalden naar kracht in de echte wereld. Ze namen de twaalf meest veelbelovende bacteriestammen en voerden deze aan diamantrugmotlarven in een gecontroleerde omgeving. Ze maten hoeveel van het bacteriële eiwit nodig was om de helft van de larven te doden, een standaardmethode om de sterkte van een gif te bepalen. De resultaten toonden aan dat verschillende van de inheemse stammen ongelooflijk potent waren. Drie specifieke stammen, geïdentificeerd door de codes RM12, T20B en T32, waren net zo dodelijk als de gouden standaard referentiestam die in commerciële producten wordt gebruikt. Sterker nog, de meest effectieve inheemse stam vereiste slechts een fractie van een microgram eiwit per milliliter water om hetzelfde dodelijke resultaat te bereiken als de best bekende commerciële bacteriën. De andere inheemse stammen waren ook effectief, hoewel iets minder potent, maar ze vertoonden allemaal een duidelijke bekwaamheid om de resistente plaag te doden.

De studie concludeert dat de bodem een enorme, onontgonnen reservoir van biologische diversiteit bevat die de sleutel kan zijn tot het redden van kruisbloemige gewassen. De onderzoekers ontdekten dat deze inheemse bacteriën niet simpelweg kopieën zijn van de exemplaren die al op de markt zijn; ze zijn genetisch uniek, dragen een breder scala aan toxine-genen en produceren een meer gevarieerde mix van kristalvormen. Deze diversiteit is de meest waardevolle troef, aangezien het een complexe aanval biedt die veel moeilijker is voor de diamantrugmot om resistentie tegen te ontwikkelen. Hoewel de studie in een laboratorium- en kasomgeving werd uitgevoerd, suggereren de bevindingen dat deze inheemse stammen kunnen worden ontwikkeld tot nieuwe biopesticiden. Door een mengsel van verschillende toxines van deze inheemse bacteriën te gebruiken, kunnen boeren de mot wellicht te slim af zijn, wat een duurzaam pad biedt voor de teelt van groenten in een wereld waar chemische opties steeds vaker falen. Het werk benadrukt dat de oplossing voor een moderne agrarische crisis mogelijk niet ligt in het uitvinden van iets geheel nieuws, maar in het herontdekken van de complexe, natuurlijke variëteit die al aanwezig is in de bodem onder onze voeten.