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

在农业领域，很少有害虫能像小菜蛾（diamondback moth）这样顽固且具有破坏性。这种小昆虫的幼虫以卷心菜、花椰菜和西兰花等十字花科蔬菜为食，已成为全球农民的头痛问题。这种蛾子因其几乎能抵御所有喷洒在其身上的化学药剂的能力而臭名昭著。经过数十年的重度杀虫剂使用，这种蛾子进化出了遗传装甲，使得世界上许多最常见的毒药都变得毫无用处。当化学手段失效时，农民通常会转向生物替代品，特别是名为“苏云金杆菌”（Bacillus thuringiensis）的一种土壤栖息细菌。这种细菌是许多昆虫幼虫的天敌。它的工作原理是产生微小的结晶蛋白质，这些蛋白质就像生物钥匙。当饥饿的毛虫吃下这些细菌时，这些晶体在它的肠道内溶解，释放出毒素，在昆虫的消化道内打出孔洞，导致它停止进食并最终死亡。多年来，农民一直依赖这种细菌的特定菌株，但小菜蛾正在逐渐适应。正如它学会抵抗化学喷雾一样，小菜蛾的种群也开始对标准的细菌毒素产生抗性，这产生了对新的、更多样化的生物武器的迫切需求。

印度泰米尔纳德邦农业大学的研究人员通过向内寻找，试图找到这些新的武器。他们没有依赖商业产品中使用的少数几种已知细菌菌株，而是将注意力转向了土壤本身。他们从当地环境中收集了58种不同的本土苏云金杆菌菌株，希望这些本土微生物可能持有标准实验室菌株已经失去的秘密。研究团队将这58个样本视为一个潜在解决方案的庞大图书馆，通过筛选来观察哪些样本携带了最有效的杀虫蛋白的遗传蓝图。他们正在寻找一种能够产生不同类型毒素的特定基因组合，因为他们相信，多种攻击策略的混合会比单一类型的攻击更难让小菜蛾产生抗性。

调查始于实验室中细菌生长的视觉检查。研究人员观察到，本土菌株并不完全相同；它们形成的菌落具有不同的形状和纹理，暗示着在表面之下存在着深刻的遗传差异。为了观察这些细菌携带的实际武器，团队使用强大的显微镜来检查最有潜力的候选菌株所产生的晶体。他们发现了令人着迷的多样化形状。一些细菌产生的晶体看起来像是两个底面对称连接的金字塔，而另一些则制造出立方体结构或圆形球体。在这些细菌的世界里，形状是功能的直接线索。金字塔形的晶体通常携带一种类型的毒素，而立方体形的则携带另一种。研究人员发现，他们的许多本土菌株并不局限于一种形状；它们产生混合形态，这表明它们可以同时以多种方式攻击害虫。

为了证实他们在显微镜下观察到的现象，科学家们转向了分子生物学。他们从细菌中提取DNA，并使用聚合酶链式反应技术来搜索已知能产生杀虫毒素的特定基因。他们寻找的是编码三种主要蛋白质类型的基因：Cry1、Cry2 和 Vip3A。结果令人震惊。所有12个最有潜力的分离株都携带了最常见的毒素基因 Cry1。然而，多样性远不止于此。其中几种本土菌株还携带了 Cry2 基因，而更多的菌株携带了 Vip3A 基因。最后一种基因特别重要，因为它产生的毒素作用机制与其他毒素不同，能以标准毒素无法达到的方式针对昆虫。至关重要的是，研究人员发现某些本土菌株同时拥有这三种类型的基因。这种遗传多样性与目前农民使用的标准商业菌株所具有的有限多样性形成了鲜明对比。

随后，团队从实验台转向了活体昆虫，以测试这些遗传优势是否能转化为现实世界的威力。他们将十二种最有潜力的细菌菌株喂给受控环境下的小菜蛾幼虫。他们测量了杀死一半幼虫所需的细菌蛋白量，这是衡量毒性强度的标准方法。结果显示，几种本土菌株极其强大。三种被识别为 RM12、T20B 和 T32 的特定菌株，其杀伤力与商业产品中使用的金标准参考菌株不相上下。事实上，最有效的本土菌株每毫升水中仅需极微量的微克蛋白，即可达到与已知最好的商业细菌相同的致死效果。其他本土菌株虽然效力稍逊，但也表现出了杀死这种抗性害虫的明确能力。

研究结论认为，土壤中蕴藏着巨大的、尚未开发的生物多样性资源，这可能是拯救十字花科作物的关键。研究人员发现，这些本土细菌不仅仅是市场上现有细菌的复制品；它们在遗传上是独特的，携带了更广泛的毒素基因，并产生更多样化的晶体形状。这种多样性是最宝贵的资产，因为它提供了一种复杂的攻击方式，使小菜蛾更难进化出抗性。虽然这项研究是在实验室和温室环境下进行的，但研究结果表明，这些本土菌株可以被开发成新的生物农药。通过使用来自这些本土细菌的不同毒素混合物，农民或许能够识破小菜蛾的抗性，为在一个化学手段日益失效的世界中种植蔬菜提供一条可持续发展的道路。这项工作强调，解决现代农业危机的方案可能不在于发明某种全新的东西，而在于重新发现已经存在于我们脚下土壤中的复杂且天然的多样性。