Biologická ochrana (4): Sekundární metabolity bakterií účinné proti škůdcům

25. 09. 2024 Ing. Jiří Nermuť, Ph.D.; Biologické centrum AV ČR, v.v.i. Ochrana obecně Zobrazeno 292x

Entomopatogenní hlístice rodu Steinernema žijí v symbióze s bakteriemi rodu Xenorhabdus a hlístovky rodu Heterorhabditis mají jako symbionta bakterie rodu Photorhabdus. Každý druh hlístovky je vždy asociován s jedním konkrétním druhem symbiotické bakterie.

Mechanizmus synergie

Když hlístovka najde vhodného hostitele a pronikne do jeho těla, uvolní svoji symbiotickou bakterii do hemolymfy hmyzu. Bakterie se okamžitě začne množit a hostitele zahubí. Sama pak poslouží jako potrava hlístici, která takříkajíc na oplátku následně bakterii přenese k dalšímu hostiteli. Bez hlístice není bakterie schopná v půdním prostředí přežít ani infikovat hmyz. Stejně tak hlístovka bez bakterie není schopna svého hostitele usmrtit a rozmnožit se na něm.

Bakterie kromě toho, že se v napadeném hmyzu množí, produkuje také velké množství tzv. sekundárních metabolitů, které mají řadu různých biologických funkcí. Jednou z nich je usmrcení hostitele, dalšími funkcemi je ochrana mrtvolky před jinými organizmy. V přírodních podmínkách je běžné, že jakýkoliv uhynulý organizmus je velmi rychle zkonzumován někým jiným, ať už se jedná o hmyz, měkkýše, obratlovce nebo třeba houby, bakterie aj.

Laboratorní získávání metabolitů

Ochranná schopnost zmíněných metabolitů vedla nejeden vědecký tým k úvaze, zda by nebylo možné tyto látky získat a následně použít v ochraně rostlin. Záhy se ukázalo, že to možné skutečně je. Symbiotické bakterie hlístovek lze relativně snadno a levně kultivovat v obrovských objemech v tekutých médiích. Z těchto roztoků je následně možné účinné látky separovat a dále využívat. A některé bude zřejmě možné i syntetizovat bez nutnosti kultivace bakterií.

V tuto chvíli ovšem vyvstává jiný problém. Separací bakteriálních buněk z roztoku získáme směs mnoha rozličných chemických látek, o jejichž druhu a účinku nemáme příliš jasnou představu. Izolace konkrétní účinné látky, zodpovědné za určitý specifický efekt, totiž není až na několik výjimek zrovna snadný úkol. Je totiž pravděpodobné, že specifického účinku se dosahuje kombinací několika látek ve správném poměru. Každopádně intenzivní výzkumy této problematiky probíhají na řadě pracovišť a je jen otázkou času, kdy dojde k vytouženému průlomu.

Účinky látek v praxi

Uváděné látky se mohou pochlubit velmi dobrými účinky. Jen pro ilustraci, housenky lišaje tabákového (Manduca sexta) hynou ve více než 90 % do tří dnů po aplikaci směsi metabolitů bakterií Xenorhabdus bovienii nebo Photorhabdus laumondi a podobných výsledků je dosahováno s housenkami obaleče mramorovaného (Lobesia botrana). Mortalita v rozmezí 70–100 % je potvrzena také u velmi problematické octomilky japonské (Drosophila suzuki).

Náš vlastní výzkum ukazuje, že mimořádně dobrých hubicích účinků, srovnatelných s konvenčními pesticidy, jsme schopni dosáhnut s některými metabolity bakterií rodu Xenorhabdus, např. vůči larvám mandelinky bramborové (Leptinotarsa decemlineata), mšici broskovoňové (Myzus persicae) nebo kyjatce zemákové (Aulacorthum solani). Výborný efekt je prokázán v rovině antifeedantních (protipožerových) a repelentních účinků i na plzáka španělského (Arion vulgaris, syn. Arion lusitanicus), který je jinak velmi obtížně zvládnutelným škůdcem. V tomto směru tak můžeme být celkem optimističtí a těšit v dohledné budoucnosti na nové účinné přípravky fungující na biologické bázi.

Způsoby využití

Aplikace metabolitů postřikem není jediná cesta, jak symbiotických bakterií hlístovek využít i bez hlístovky jako přenašeče. Aby bakterie Xenorhabdus a Photorhabdus dokázaly zabít hostitele, musí se dostat do jeho hemolymfy. Normálně jim k tomu poslouží právě hlístice, která si dovede prorazit cestu skrze trávicí trakt, dýchací otvory nebo i membránu, umístěnou mezi články hmyzího těla. Samotný postřik rostlin těmito bakteriemi by ale účinný nebyl, protože jsou poměrně citlivé na UV záření, a hlavně, projdou trávicím traktem hmyzu, aniž by měly šanci mu nějak uškodit. Nicméně je tu jeden velmi zajímavý případ.

Některé bakterie rodu Bacillus dokáží poškodit a penetrovat střevní stěnu hmyzího trávicího traktu, i když třeba samotnému hmyzu moc ublížit nedovedou. Nabízí se tak příležitost tyto dvě bakteriální kultury smíchat a hmyz pozře společně s listem směs Bacillus/Xenorhabdus. První jmenovaná bakterie se postará o perforaci střeva a druhá následně velmi rychle, většinou během 48 hodin, hmyz zahubí. Tento v principu velmi jednoduchý model je poměrně účinný např. vůči larvám zápředníčka polního (Plutella xylostella) nebo blýskavky červivcové (Spodoptera exigua) či řadě dalších škůdců, především motýlů.

Do třetice se nabízí ještě jeden způsob, jak dané metabolity využít. S tím, jak postupuje intenzivní výzkum jednotlivých složek jejich bakteriálních směsí, daří se též krok za krokem identifikovat i geny, které jsou zodpovědné za tvorbu těchto látek. O tom, že existují transgenní rostliny nebo i jiné organizmy (tzv. GMO), už asi slyšel úplně každý. Ponechme stranou vášnivé debaty zastánců a odpůrců GMO a představme si dva základní přístupy, které nám taková technologie nabízí. Oba jsou totiž velmi reálné a de facto jediný důvod proč se nevyužívají, je současná evropská legislativa.

První možností, z hlediska odpůrců GMO možná přijatelnější, je tvorba transgenních bakterií, např. Escherichia coli, do kterých je vnesen gen odpovědný za produkci konkrétní látky s prokazatelným účinkem. V takovém případě můžeme masovou kultivací této geneticky upravené bakterie v uzavřených biofermentorech získávat ekologicky šetrnou cestou značné množství účinné látky, kterou posléze jen separujeme a požadovaným způsobem formulujeme, např. pro postřik. Způsob použití tedy bude stejný, jako když v prvotních testech zkoušíme účinky celých směsí metabolitů. Rozdíl ale spočívá v tom, že do životního prostřední vnášíme pouze jednu jedinou dobře známou a definovanou látku přírodního původu. Díky možnosti tuto účinnou látku koncentrovat pak můžeme dosahovat zajímavějších účinků na cílový organizmus. Tento přístup je ověřený např. na housenkách lišaje tabákového (Manduca sexta).

Jiným způsobem, jak využít znalosti genetických modifikací, je vytvoření transgenní rostliny. V principu se jedná o naprosto stejný přístup jako v případě GMO kukuřice odolné proti zavíječi kukuřičnému (Ostrinia nubilalis). Tyto odrůdy nesou, zjednodušeně řečeno, gen pro tvorbu delta endotoxinu z bakterie Bacillus thuringiensis, a jakmile housenka pozře malé množství pletiva GMO plodiny, zahyne v důsledku působení zmíněného toxinu. I bakterie Xenorhabdus a Photorhabdus produkují látky insekticidního působení, jinak by nemohly jejich sekundární metabolity zabíjet mandelinku nebo mšice a housenky. Pokud geny odpovědné za tvorbu těchto látek vneseme do rostliny, hmyz po požití této rostliny hyne. Radost z tohoto přístupu nám ale kromě legislativy kazí i fakt, že v tomto případě jsou příslušné geny neobvykle velké a jejich začlenění do genomu rostliny není snadné. Mimo to nejsou dosud dobře prozkoumány účinky těchto látek na člověka a jiné necílové organizmy.

Tvorba GMO plodin, nesoucích geny pro insekticidní látky z bakterií Xenorhabdus a Photorhabdus, se tak prozatím jeví jako velmi riskantní a do budoucna se zdá, že uplatnění najde spíše efektivní produkce čistých látek, např. prostřednictvím upravených bakterií nebo jiným způsobem.

Tab.: Vybrané hlístice a jejich symbionti produkující látky s repelentními, antifeedantními nebo insekticidními účinky

Komerčně dostupné přípravky

Ke konci už zmíníme jenom to, že přípravky, které mají podobnou genezi, a tedy pocházejí z bakterií, již na trhu najít můžeme. Vůbec nejznámější v ČR je přípravek Spintor s účinnou látkou spinosad. Tato látka byla izolována z bakterie Saccharopolyspora spinosa, známé od roku 1985, kdy byla poprvé izolována z rozdrcené cukrové třtiny. Spinosad je směs látek zvaných spinosyny, které se vyskytují v cca 20 přírodních a 200 syntetických formách. Účinnou látku zmíněného pesticidu, tedy spinosad, tvoří spinosyn A a spinosyn D v poměru cca 17:3.

Závěr

Dnes jsme si představili některé bakteriální metabolity, které mají prokazatelnou účinnost vůči hmyzím škůdcům. Abychom byli spravedliví, zmíníme, že účinky jsou známé i vůči fytofágním háďátkům nebo roztočům, jako jsou kořenohub (Rhizoglyphus robini) nebo sviluška chmelová (Tetranychus urticae). V příštím dílu se soustředíme na možnosti využití metabolitů bakterií vůči původcům chorob rostlin.

Obr. 1: Symbiotické bakterie značené metodou GFP (zelený fluorescenční protein) uvnitř těla hlístovky

Obr. 2: Symbiotické bakterie hlístovek na selektivním agarovém médiu

Obr. 3: Sekundární metabolity některých bakterií výborně hubí hmyz, například larvy mandelinek