Βάκιλος: μια “πράσινη” λύση για πιο βιώσιμη αγροτική παραγωγή

Η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού έχει επιφέρει μια κλιμακούμενη ανάγκη για αύξηση των διαθέσιμων διατροφικών πόρων. Οι παραδοσιακές γεωργικές πρακτικές βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε χημικά μυκητοκτόνα/παρασιτοκτόνα για τον έλεγχο των παρασίτων και των παθογόνων μικροοργανισμών, προκαλώντας επιβλαβείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Η διερεύνηση εναλλακτικών λύσεων αντί των χημικών λιπασμάτων ή φυτοφαρμάκων είναι απαραίτητη για τη βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον γεωργία. Ο Βάκιλος είναι ένα βακτήριο με αξιοσημείωτες ιδιότητες βιοελέγχου. Τα βακτήρια αυτά έχουν ήδη κερδίσει σημαντική προσοχή για την ικανότητά τους να καταπολεμούν φυτοπαθογόνα και παράσιτα, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τη βλάβη στα ωφέλιμα έντομα, τον άνθρωπο και το περιβάλλον.

Είδη Βάκιλων

Τα είδη του γένους Bacillus spp. είναι βακτήρια ραβδόμορφα, θετικά κατά Gram, αερόβια ή προαιρετικά αναερόβια και θετικά ως προς την καταλάση. Μπορούν να παράγουν ενδοσπόρια και δυνητικά να επιβιώσουν σε δυσμενείς συνθήκες. Είναι κυρίως διαθέσιμα στο έδαφος, στη ριζόσφαιρα και θεωρούνται ως τα πιο διαδεδομένα ενδοφυτικά βακτήρια. Οι Bacillus spp. είναι μια μεγάλη και ποικίλη ομάδα μη παθογόνων βακτηρίων. Τα περισσότερα είδη μαζί με τα προϊόντα τους θεωρούνται ασφαλή για προς το περιβάλλον. Ορισμένα από τα πιο κοινά και ωφέλιμα είδη Bacillus περιλαμβάνουν τα B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis, B. thuringiensis, B. megaterium, B. velezensis, B. cereus κ.λπ. Οι Bacillus spp. χρησιμοποιούνται ευρέως για την φιλική προς το περιβάλλον φύση τους, κατάλληλα για την αειφόρο γεωργία λόγω των των βιο-μυκητοκτόνων, βιο-εντομοκτόνων και βιο-νεματοδοκτόνων ιδιοτήτων τους (Surovy et al., 2022). Λόγω αυτών των δυνατοτήτων, προάγουν την ανάπτυξη των φυτών.

Πώς ο Bacillus spp. προάγει την ανάπτυξη των φυτών και την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών;

Οι βάκιλοι προάγουν την ανάπτυξη των φυτών μέσω της πρόσληψης θρεπτικών συστατικών, της δέσμευσης αζώτου, της διαλυτοποίησης φωσφόρου και της παραγωγής ορμονών που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών.

Οι βάκιλοι μπορούν να προσλάβουν άμεσα θρεπτικά συστατικά από το περιβάλλον. Μπορούν να παράγουν ένζυμα νιτρογενάσης που καταλύουν τη μετατροπή του διαζώτου(N2) σε αμμωνία (NH3), τα οποία βοηθούν το φυτό να προσλάβει άζωτο από το περιβάλλον και να μειώσει τη χρήση χημικών αζωτούχων λιπασμάτων για την παραγωγή καλλιεργειών. Οι περισσότεροι από τους βάκιλους περιέχουν το γονίδιο nifH, το οποίο παίζει ρόλο στη δέσμευση ατμοσφαιρικού αζώτου και συμβάλλει στην αύξηση της συνολικής περιεκτικότητας σε άζωτο και στη συσσώρευση βιομάζας στα φυτά. Η ανάπτυξη των φυτών σχετίζεται επίσης άμεσα με τη διαθεσιμότητα του φωσφόρου και περισσότερο από το 80% του φωσφόρου δεν είναι διαθέσιμο για πρόσληψη από τα φυτά. Ωστόσο, ο βάκιλος, μπορεί να διαλύσει τον ανόργανο φώσφορο και να ανοργανοποιήσει τον αδιάλυτο οργανικό φώσφορο. Ως αποτέλεσμα, τα φυτά μπορούν να προσλάβουν φώσφορο απευθείας από το έδαφος. Επιπλέον, μπορούν να παράγουν σιδεροφόρες, αυξίνες, γιββερελλίνες και κυτοκινίνες, οι οποίες μπορούν να συμβάλουν στην αύξηση της ανάπτυξης και της απόδοσης των φυτών. Ο B. amyloliquefaciens μπορεί να παράγει αψισικό οξύ, το οποίο βοηθά τα φυτά να αντισταθούν στο στρες της αλατότητας (Surovy et al., 2022).

Πώς ο Βάκιλος ελέγχει τα παθογόνα των φυτών;

Ο βάκιλος ελέγχει τα παθογόνα μέσω του ανταγωνισμού, των αντιβιοτικών και των αντιμικροβιακών μεταβολιτών και προκαλεί συστηματική ανθεκτικότητα.

Ο βάκιλος μπορεί να παράγει διαφορετικούς τύπους αντιβιοτικών και ενζύμων για τον έλεγχο των παθογόνων στα φυτά. Ανταγωνίζεται με τα φυτοπαθογόνα για τα θρεπτικά και για το χώρο. Έμμεσα προκαλεί επίσης συστηματική αντίσταση των φυτών έναντι παθογόνων ή προσβολών από παράσιτα. Επομένως, η επαγωγή συστηματικής ανθεκτικότητας από βάκιλο παρέχει καλύτερη προστασία και επάγει την ανθεκτικότητα του φυτού σε παράσιτα και παθογόνα. Ο βάκιλος επίσης αυξάνει τη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων και παράγει αντιμικροβιακούς δευτερογενείς μεταβολίτες και πτητικές οργανικές ενώσεις, οι οποίες συμβάλλουν στον βιολογικό έλεγχο των παθογόνων και των παρασίτων.

Πώς δρά ο Βάκιλος ενάντια στους νηματώδεις;

Οι βάκιλοι που αποικούν στις ρίζες παράγουν νηματωδοκτόνες τοξίνες, πτητικές ενώσεις και δευτερογενείς μεταβολίτες που υποβαθμίζουν την επιδερμίδα των νηματωδών και διαταράσσουν το κέλυφος των αυγών.

Οι βάκιλοι, παράγουν ανθεκτικά ενδοσπόρια για να επιβιώνουν στο περιβάλλον για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αυτά τα σπόρια μπορούν να αποικίσουν στις ρίζες των φυτών και είναι πανταχού παρόντα στη ριζόσφαιρα. Αυτές οι ομάδες βακτηρίων παράγουν διαφορετικούς τύπους πρωτεολυτικών ενζύμων όπως η σφιγγοσίνη (νηματοδοκτόνος τοξίνη), η υπεροξειδική δισμουτάση, η υπεροξειδάση, η νηματοδοκτόνες πτητικές ουσίες όπως το διμεθυλοδισουλφίδιο και δευτερογενείς μεταβολίτες που αποικοδομούν την επιδερμίδα του νηματώδη και αυξάνουν την τοξικότητα. Ως αποτέλεσμα, επέρχεται παράλυση και θάνατος του νηματώδη. Αυτοί οι μεταβολίτες και τα τοξικά ένζυμα διαταράσσουν επίσης το κέλυφος των αυγών του νηματώδη και ενδεχομένως τον ελέγχουν. Έτσι, αναμφίβολα ο βάκιλος είναι ένα ιδανικό βακτήριο για τον βιοέλεγχο των νηματωδών και ο Οργανισμός Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (USFDA) κήρυξε τα είδη του βάκιλου ως “θεωρούμενα ασφαλή”.

Πώς δρα ο Βάκιλος Θουριγγίας (Bt) ως βιοεντομοκτόνο;

Μεταξύ των διάφορων ειδων βάκιλου, ο Βάκιλος Θουριγγίας (Bt) είναι επί του παρόντος διαθέσιμος και χρησιμοποιούμενος ως καταχωρημένο φυτοφάρμακο. Τα προϊόντα Bt χρησιμοποιούνται σε καλλιέργειες και καλλωπιστικά φυτά για εναέρια εφαρμογή. Επίσης είναι κατάλληλο για τη βιολογική γεωργία. Γενικά, τα κοινά προϊόντα Bt βρίσκονται στην αγορά ως σπρέι, κόκκοι, σκόνες, συμπυκνώματα και σφαιρίδια.

Ο Bt παράγει μια πρωτεΐνη που μπορεί να καταστρέψει τα κύτταρα του εντέρου του εντόμου, παραλύοντας το έντομο που συνήθως πεθαίνει από μόλυνση ή ασιτία.

Κατά τη δημιουργία σπορίων, ο Bt παράγει κρυσταλλικές πρωτεΐνες γνωστές ως τοξίνες Cry (Εικ. 1Α). Οι πρωτεΐνες Cry (τοξίνες Cry) αποτελούν τη μεγαλύτερη ομάδα εντομοκτόνων πρωτεϊνών που παράγονται από τα είδη Bacillus. Μέχρι σήμερα, η Επιτροπή Ονοματολογίας Τοξινών Bt έχει ταξινομήσει 73 διαφορετικούς τύπους πρωτεϊνών Cry (Cry1 έως Cry73), για τις οποίες είναι καλά τεκμηριωμένες για την τοξικότητά τους έναντι λεπιδοπτέρων, κολεοπτέρων, ημιπτέρων, διπτέρων, νηματωδών, συμπεριλαμβανομένων των παρασίτων του ανθρώπου και των ζώων (Rhabditida), και σαλιγκαριών (Εικ. 1Β).

Όταν τα έντομα τρώνε τον βάκιλο, οι κρυσταλλοι διαλύονται στο έντερό τους. Μετά από ενεργοποίηση των πρωτεολυτών απότις  πρωτεάσες του εντέρου, οι τοξίνες δεσμεύονται σε ειδικούς υποδοχείς στην κυτταρική μεμβράνη του εντόμου. Αυτή η σύνδεση οδηγεί σε κυτταρική διάσπαση. Ακολουθεί η διάσπαση της επένδυσης του εντέρου του εντόμου που τελικά οδηγείται σε παράλυση. Αργότερα επέρχεται ο θάνατος των προνυμφών λόγω μόλυνσης και ασιτίας (Εικ. 2). Ο θάνατος των εντόμων επέρχεται μέσα σε 1-5 ημέρες και προσβάλλονται κυρίως οι νεαρές προνύμφες (Yul et al., 2007).

Εικόνα 1. (Α) Κρύσταλλοι πρωτεϊνών και σπόρια βακιλου σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο- (Β) φάσμα ξενιστών των τοξινών Bt (Palma et al., 2014)

Εικόνα 2. Μηχανισμοί της τοξίνης Bt για τον έλεγχο των εντόμων εχθρών των καλλιεργειών(Wijerathna-Yapa, 2017).

Καλλιέργειες Bt

Μέσω της γενετικής μηχανικής, με την εισαγωγή γονιδίων κρυσταλλικής πρωτεΐνης (γονίδια Cry) από τον Bacillus thuringiensis στο γονιδίωμα των καλλιεργειών εισάγονται νέες διαγονιδιακές καλλιέργειες. Αυτές οι διαγονιδιακές καλλιέργειες είναι ανθεκτικές στα έντομα εχθρούς των καλλιεργειών. Ακόμα και σήμερα, υπάρχει μια διαμάχη σχετικά με τη χρήση γενετικά τροποποιημένων καλλιεργειών. Ως εκ τούτου, μόνο ορισμένες ηενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες έχουν λάβει έγκριση.

Κατάλογος των καλλιεργειών Bt που έχουν εγκριθεί για καλλιέργεια

Είναι ο βάκιλος επιβλαβής για τον άνθρωπο;

Τα σπόρια του βάκιλου βλάπτουν το έντερο των προνυμφών μετά την κατανάλωσή τους. Το έντερο των εντόμων είναι αλκαλικό (pH 9,0 έως 10,5) και ο βάκιλος απαιτεί ιδιαίτερα αλκαλικές συνθήκες για την απελευθέρωση ειδικών ενζύμων για την ενεργοποίηση των τοξινών του. Αντιθέτως, το έντερο του ανθρώπου/θηλαστικών είναι πιο όξινο με χαμηλό pH. Έτσι, δεν απελευθερώνουν ειδικά ένζυμα που διασπούν τις πρωτεΐνες των σπορίων για την ενεργοποίηση των τοξινών Bt. Επομένως, με βάση τις τρέχουσες επιστημονικές γνώσεις, η Bt δεν ενέχει σημαντικούς κινδύνους για την υγεία του ανθρώπου ή των θηλαστικών.

Η τύχη των τοξινών του βάκιλου στο περιβάλλον

Οι σπόροι Bt βρίσκονται συνήθως στα ανώτερα εκατοστά του εδάφους και μπορούν να παραμείνουν αδρανείς στις περισσότερες φυσικές συνθήκες του εδάφους. Ωστόσο, η επιβίωση και η ανάπτυξή τους στο έδαφος εξαρτάται από τις εδαφικές συνθήκες και τις ιδιότητες του εδάφους. Ο Bt από το έδαφος μπορεί φυσικά να εγκατασταθεί στα φύλλα των φυτών με διάφορους τρόπους, όπως η βροχή, η εναπόθεση από περιττώματα ζώων, η βλάστηση σπόρων ή μολυσμένα έντομα. Έχει βρεθεί σε διάφορα υδάτινα περιβάλλοντα και μπορεί να εισέλθει σε φυσικές πηγές νερού μέσω της βροχής, του ανέμου, των περιττωμάτων ζώων αλλά και της απορροής. Οι τοξίνες Bt είναι συγκεκριμένες για κάθε ξενιστή και διασπώνται στις επιφάνειες των φύλλων από φυσικούς παράγοντες όπως το υπεριώδες φως του ηλιακού φωτός (UV), οι καιρικές συνθήκες και τα ένζυμα που εκκρίνουν τα φυτά.

Επιπλέον, τα σπόρια μπορούν να ξεπλυθούν από την επιφάνεια των φύλλων με τη βροχόπτωση. Οι τοξίνες Bt αποικοδομούνται γενικά ταχύτερα από τα σπόρια, με χρόνο ημιζωής που κυμαίνεται από λιγότερο από μία ημέρα έως και 46 ημέρες. Ωστόσο, ίχνη της τοξίνης μπορούν να παραμείνουν στο έδαφος για έως και έξι μήνες. Η τυπική διάρκεια ζωής των τοξινών Bt στο φύλλωμα κυμαίνεται από μία έως τέσσερις ημέρες. Η παραμονή και η μετακίνηση της Bt εξαρτώνται από τις εδαφικές συνθήκες, την έκθεση στο ηλιακό φως και τις φυσικές διεργασίες όπως η βροχόπτωση και η απορροή. Αυτές οι δυναμικές επηρεάζουν τη διάσπαση και την κατανομή των σπορίων και των τοξινών Bt, εξασφαλίζοντας την παρουσία τους σε διαφορετικά οικολογικά περιβάλλοντα και χωρίς να προκαλούν βλάβη στο περιβάλλον.

Τέλος, τα είδη Βάκιλου που χρησιμοποιούνται είναι μια σημαντική ομάδα βακτηρίων που ενσωματώνεται με στόχο το βιοέλεγχο.Η ικανότητά του να στοχεύει συγκεκριμένα παράσιτα και παθογόνα, η βιωσιμότητα και η συμβατότητα με τις προσεγγίσεις ολοκληρωμένης φυτοπροστασίας τον καθιστούν ελκυστική επιλογή για τους γεωργούς που αναζητούν φιλικές προς το περιβάλλον και αποτελεσματικές λύσεις για τη διαχείριση των παρασίτων. Αξιοποιώντας τη δύναμη των βιοπαρασιτοκτόνων ή βιομυκητοκτόνων απο βάκιλο, οι αγρότες μπορούν να προστατεύσουν τις καλλιέργειές τους, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις αρνητικές επιπτώσεις στους ωφέλιμους οργανισμούς και στο σύνολο του οικοσύστηματος.

Πηγές

Borah, P.; Gogoi, N.; Asad, S.A.; Rabha, A. J.; Farooq, M. (2023). An Insight into plant growth-promoting rhizobacteria-mediated mitigation of stresses in plant. J. Plant Growth Regul. 42, 3229–3256. doi:10.1007/s00344-022-10787-y.

Palma, L.; Muñoz, D.; Berry, C.; Murillo, J.; Caballero, P. (2014). Bacillus thuringiensis toxins: an overview of their biocidal activity. Toxins 6(12), 3296-3325. doi: 10.3390/toxins6123296.

Surovy, M.Z.; Rahman, S.; Dame, Z.T.; Islam, T. (2022a). “Discovery of bioactive natural products from bacillus species: Chemistry, biosynthesis and biological activities” in Bacilli in agrobiotechnology. Bacilli in climate resilient agriculture and bioprospecting, eds. Islam, M.T.; Rahman, M.; Pandey, P. (Springer, Cham), 47-87. doi:10.1007/978-3-030-85465-2_3.

Wijerathna-Yapa A. (2017). Transgenic plants: resistance to abiotic and biotic stresses. J. Agricul. Environ. Int. Dev. 111(1), 245-275. doi: 10.12895/jaeid.20171.643.

Yul, R. J.; Choi, J.Y.; Li, M. S.; Jin, B.R.; Je, Y.H. (2007). Bacillus thuringiensis as a specific, safe and effective tool for insect pest control. J. Microbial. Biotechnol. 17(4), 547-559.