Prospects to use Bacillus thuringiensis as agent for biological plant protection
Abstract
An overview is given from home and foreign literature on the current methods of biological plant protection from diseases. High yield losses due to plant diseases and the need for ecologically pure products make this area of research urgent. Special emphasis is placed on Bacillus thuringiensis, about 90 subspecies of which has been identified. Almost 90 per cent of the world’s bio-insecticides are currently produced from Bacillus thuringiensis ssp. kurstaki, aizawai, israelensis strains. There are considered data on capabilities of Bacillus thuringiensis strains related to various subspecies to produce substances, which protect plants from not only phytophages but also phytopathogenic infections. There is highlighted the role of Bacillus thuringiensis in controlling plant diseases, which is bound up with the discovery of broad-spectrum antibiotics. Antibiotics of a new structure class with the high antagonistic activity against not only prokaryotes but also eukaryotes have been discovered. The effective bacteriocin concentration to stimulate the growth of plants and increase their yielding capacity is only some nanomoles that make its application economically sound. Polyfunctional properties of Bacillus thuringiensis due to a variety of substances produced by strains of different subspecies allow us to forecast the development of new microbiological preparations for plant health management. Preparations based on Bacillus thuringiensis could be an addition or alternative to chemical disease control means used in plant production.
About the Authors
G. V. Kalmykova
Siberian Research Institute of Fodder Crops, SFSCA RAS
Russian Federation
Russian Federation
I. M. Gorobey
Siberian Research Institute of Fodder Crops, SFSCA RAS
Russian Federation
Russian Federation
G. M. Osipova
Siberian Research Institute of Fodder Crops, SFSCA RAS
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Чулкина В.А., Торопова Е.Ю., Стецов Г.Я. Интегрированная защита растений: фитосанитарные системы и технологии. - М.: Колос, 2009. - 669 с.
2. Жученко А.А. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства (концепция). - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1994. - 148 с.
3. Гольдин Е.Б. Биологическая защита растений в свете проблем XXI века // Геополитика и экогеодинамика регионов. - 2014. - Т. 10, № 2. - С. 99-107.
4. Перечень критических технологий Российской Федерации от 07.07.2011 г.: [Электронный ресурс]. - http://kremlin.ru/supplement/988
5. Монастырский О.А. Нужны ли биопрепараты и биологическая защита растений сельскому хозяйству? // Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем: материалы междунар. науч.-практ. конф. (2-22 сентября 2006 г., Краснодар). - Краснодар, 2006. - С. 60-70.
6. Штерншис М.В. Тенденции развития биотехнологии микробных средств защиты растений в России // Вестн. Томского гос. ун-та. - 2012. - № 2 (18). - С. 92-100.
7. Штерншис М.В. Биологическая защита растений: учебник. - М.: Колос, 2004. - 264 c.
8. Боронин А.М. Ризосферные бактерии рода Pseudomonas, способствующие росту и развитию растений // Соровский образов. журн. - 1998. - № 10. - С. 25-31.
9. Cook R.J., Baker K.F. The nature and practice of biological control of plants pathogens // St. Paul (Minn.): Amer. Phytopathol. Soc.- 1989. - 539 p.
10. Бурцева Л.И., Штерншис М.В., Калмыкова Г.В. Бактериальные болезни насекомых // Патогены насекомых: структурные и функциональные аспекты / под ред. В.В. Глупова. - М.: Круглый год, 2001. - С. 189-245.
11. De Barjac H., Bonnefoi A. Classification of Bacillus thuringiensis strains // Entomophaga. - 1962. - Vol. 7. - P. 5-31.
12. Lecadet M.M., Frachon E., Dumanoir V.C. et al. Updating the H-antigen classification of Bacillus thuringiensis // J. Appl. Microbiol. - 1999. - Vol. 86. - P. 660-673.
13. Hofte H., Whitely H.R. Insecticidal crystal proteins of Bacillus thuringiensis // Microbial. Rev. - 1989. - Vol. 53. - P. 242-258.
14. Crickmore N., Zeigler D.R., Feitelson J. et al. Revision of the nomenclature for the Bacillus thuringiensis pesticidal crystal proteins // Microbiol. Molec. Biology Rev. - 1998. - Vol. 62. - P. 807-813.
15. Crickmore N., Baum J., Bravo A. et al. Bacillus thuringiensis toxin nomenclature: [Электронный ресурс]. - http://www.lifesci.sussex.ac.uk
16. Mizuki E., Ohba M., Akao T. et al. Unique activity associated with non-insecticidal Bacillus thuringiensis parasporal inclusion: in vitro cell-killung action on human cancer cells // J. Appl. Microbiol. - 1999. - Vol. 86. - P. 477-486.
17. Егоров Н.С., Юдина Т.Г., Баранов А.Ю. О корреляции между инсектицидной и антибиотической активностями параспоральных кристаллов Bacillus thuringiensis // Микробиология. -1990. - Т. 59 (3). - С. 448-452.
18. Favret M.E., Yousten A.A. Thricin: the bacteriocin produced by Bacillus thuringiensis // J. Invertebr. Pathol. - 1989. - Vol. 53. - P. 206-216.
19. Barboza-Corona J. Eleazar, Vazquez-Acosta H. et al. Bacteriocin-like inhibitor substances produced by Mexican strains of Bacillus thuringiensis// Arch. Microbiol. - 2007. - Vol. 187. - P. 117-126.
20. Paik HD, Bae SS, Park SH et al. Identification and partial characterization of tochicin, a bacteriocin produced by Bacillus thuringiensis subsp. tochigiensis // J. Industr. Microbiol.& Biotechnology. - 1997. - Vol. 19. - P. 294-298.
21. Rea M.C., Sit C.S., Clayton E. Thuricin CD, a posttranslationally modified bacteriocin with a narrow spectrum of activity against Clostridium difficile // PNAS. - 2010. - Vol. 107 (20). - P. 9352-9357.
22. Калмыкова Г., Бурцева Л., Ермакова О. и др. Антибактериальная активность штаммов Bacillus thuringiensis в отношении патогенных и условно-патогенных микроорганизмов // Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2013. - № 2. - С. 97-104.
23. Subramanian S., Smith D.L. Bacteriocins from the rhizosphere microbiome - from an agriculture perspective // Plant Science. - 2015. - Vol. 6. - P. 1-7.
24. Kim P.I. et al. Purification and characterization of a lipopeptide produced by Bacillus thuringiensis CMB 26 // J. Appl. Microbiol. - 2004. - Vol. 97. - P. 942-949
25. Roy A., Mahata D., Debarati P. et al. Purification, biochemical characterization and self-assembled structure of a fengycin-like antifungal peptide from Bacillus thuringiensis // J. Microbiol. - 2013. - Vol. 4.
26. Hathout Y., Ho YP., Ryzhov V. et al. Kurstakins: a new class of lipopeptides isolated from Bacillus thuringiensis // J. Nat. Prod. - 2000. - Vol. 63 (11). - P. 1492-1496.
27. Cochrane S.A., Vederas J.C. Lipopeptides from Bacillus and Paenibacillus spp.: A Gold Mine of Antibiotic Candidates // Medicinal Research Reviews. - 2016. - Vol. 36 (1). - P. 4-31.
28. Raaijmakers J.M. et al. Natural functions of lipopeptides from Bacillus and Pseudomonas: more than surfactants and antibiotics // FEMS Microbiol. Rev. - 2010. - Vol. 34. - P. 1037-1062.
29. Zhou Y., Choi Y., Sun M. Novel roles of Bacillus thuringiensis to control plant diseases // Appl. Microbiol. Biotechnol. - 2008. - Vol. 80. - P. 563-572.
30. Luo Y., Ruan L., Zhao Ch. et al. Validation of the Intact Zwittermicin A Biosynthetic Gene Cluster and Discovery of a Complementary Resistance Mechanism in Bacillus thuringiensis // Antimicrob Agents Chemother. - 2011. - Vol. 55 (9). - P. 4161-4169.
31. Broderick N.A., Goodman R.M., Raffa K.F. et al. Synergy between zwittermicin A and Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki against gypsy moth (Lepidoptera:Lymantriidae) // Environ. Entomol. - 2000. - Vol. 29. - P. 101-107.
32. Martinez-Absalon S. et al. Potential use and mode of action of the new strain Bacillus thuringiensis UM96 for the biological control of the grey mold phytopathogen Botrytis cineria // Biocontr. Sci Technol. - 2014. - Vol. 24 (12). - P. 1349-1362.
33. Sharma N. et al. Role of chitinase in plant defense// Asian J. Biochem. - 2011. - Vol. 6 (1). - P. 29-37.
34. De la Fuente-Salcido N.M., Casados-Vazguez L.E., Garcia-Perez A.P. et al. The endochitinase ChiA Btt of Bacillus thuringiensis subsp. tenebrionis DSM-2803 and its potential use to control the phytopathogen Colletotrichum gloeosporioides // Microbiologyopen. - 2016. - doi: 10.1002/mbo3.372
35. De la Vega L.M., Barboza-Corona J.E., Aguilar-Uscanga M.G. et al. Purification and characterization of an exochitinase from Bacillus thuringiensis subsp.aizawai and its action against phytopathogenic fungi // Can. J. Microbiol. - 2006. - Vol. 52. - P. 651-657.
36. Lee S., Park S., Lee J. et al. Genes encoding the N-acyl homoserine lacton-degrading enzyme are widespread in many subspecies of Bacillus thuringiensis // App. Environ. Microbiol. - 2002. - Vol. 68. - P. 3919-3924.
37. Sebesta K., Horska K. Mechanism of inhibition of DNA-dependent RNA polymerase by exotoxin of Bacillus thuringiensis // Biochem. Biophys. Acta. - 1970. - Vol. 209. - P. 357-376.
38. Sanchez-Soto A.I., Saavedra-Gonzalez G.I., Ibarra J.E. et al. Detection of b-exotoxin synthesis in Bacillus thuringiensis using an easy bioassay with the nematode Caenorhabditis elegans // Lett. Appl. Microbiol. - 2015. - Vol. 61 (6). - P. 562-567.
39. Гришечкина С.Д. Механизмы действия и эффективность микробиологического препарата бацикола // С.-х. биология. - 2015. - Т. 50, № 5. - С. 685-693.
40. Климентова Е.Т., Каменек Л.К., Каменек Д.В. и др. Перспективы использования дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis как биорегулятора роста растений с фитозащитными свойствами // Агрорус XXI. - 2010. - № 4-6. - С. 31-33.
41. Басырова Л.Ф., Каменек Д.В., Каменек Л.К. и др. Влияние дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis на биохимический состав плодов огурца посевного // Вестн. Алтайского ГАУ. - 2014. - № 10 (120). - С. 14-19.
42. Терпиловский М.А. Антибиотическое действие дельта-эндотоксинов Bacillus thuringiensis против Phytophthora infestans и Fusarium oxysporium: автореф. дис. … канд. биол. наук. - Самара, 2012. - 22 с.
43. Каменек Д.В., Ильинская О.Н., Цофина Л.М. и др. Дельта-эндотоксин Bacillus thuringiensis как природный протонофор: анализ методами ИК- и ЯМР-спектроскопии // Учен. записки Казанского ГУ. - 2008. - Т. 150, кн.1. - С. 69-75.
44. Каменек Л.К. Дельта-эндотоксин Bacillus thuringiensis: строение, свойства и использование для защиты растений: автореф. дис. … д-ра биол. наук. - М., 1998. - 43 с.
45. Kamoun F., Fguira I., N.B.ben Hassen et al. Purification and characterization of a new Bacillus thuringiensis bacteriocin active against Listeria monocytogenes, Bacillus cereus and Agrobacterium tumefaciens // Appl. Biochem. Biotechnol. - 2011. - Vol. 165. - P. 300-314.
46. Sowmyalakshmi Subramanian, Donald L. Smith. Bacteriocins from the rhizosphere microbiome - from an agriculture perspective // Plant Science. - 2015. - Vol. 6. - P. 1-7.
47. Prudent M., Salon C., Souleimanov A., Emery R.J.N., Smith D.L. Soybean is less impacted by water stress using Bradyrhizobium japonicum and thuricin-17 from Bacillus thuringiensis // Agron.Sustain.Dev. - 2014. - Vol. 35. - P. 749-757.
48. Raddadi N., Belaouis A., Namagnini I. et al. Characterization of polyvalent and safe Bacillus thuringiensis strains with potential use for biocontrol // J. Basic Microbiol. - 2009. - Vol. 49. - P. 293-303.
Review
For citations:
Kalmykova G.V., Gorobey I.M., Osipova G.M. Prospects to use Bacillus thuringiensis as agent for biological plant protection. Siberian Herald of Agricultural Science. 2016;(4):12-19. (In Russ.)
Views:
530
Email this article 