Одна из основных проблем при выращивании картофеля — насекомые-вредители, в частности колорадский картофельный жук. Его личинки и взрослые особи могут полностью съесть вегетативную массу растений, что приведет к потере до 75 % урожая. Ученые из Института систематики и экологии животных СО РАН — в поисках брешей в защитных системах насекомых и эффективного способа борьбы с этим вредителем с помощью бактерий Bacillus thuringiensis. Статья об этом опубликована в международном журнале PeerJ.
В общем биологическом явлении иммунитета лежит функция сохранения внутренней генетической однородности организмов. Однако степень проявления иммунных реакций у разных организмов различается. Условно выделяют врожденный и приобретенный (адаптивный) иммунитет. Адаптивный иммунитет высоко развит у позвоночных животных и отсутствует у беспозвоночных. Адаптивные реакции иммунитета зачастую узкоспецифичны, поскольку направлены на формирование антител против определенных чужеродных молекул (антигенов) в условиях белок-белкового взаимодействия.
«Иммунная система беспозвоночных не обладает адаптивным иммунитетом, но имеет эффективную врожденную иммунную систему. Как и у позвоночных животных, иммунный ответ беспозвоночных условно можно разделить на клеточный и гуморальный. Активация иммунного ответа у беспозвоночных происходит при распознавании патогена определенной группой молекул. Триггерами иммунного ответа в этом случае могут выступать компоненты клеточных стенок микроорганизмов: полисахариды, липотейхоевые кислоты, бета-глюканы и другие. При активации иммунного ответа у беспозвоночных животных запускается сложная цепочка иммунных реакций для устранения патогенов, которая сопровождается каскадом ферментативных и неферментативных реакций. Они выступают своеобразным огнетушителем инфекционного процесса», — рассказывает директор ИСиЭЖ СО РАН член-корреспондент РАН Виктор Вячеславович Глупов.
Для проведения исследований использовали хорошо изученные патогенные для насекомых бактерии Bacillus thuringiensis. Они составляют основу большинства биопрепаратов для защиты сельскохозяйственных культур от насекомых-вредителей. При их попадании в организм личинок колорадского жука происходят различные нарушения функций кишечника. Его клетки разрушаются за счет токсина, а после не могут восстановиться.
Ученые проводят исследования на природных популяциях личинок колорадского жука, собранных в поле. Для этого они моделируют инфекционный процесс, скармливая личинкам бактерии, и оценивают физиологические и биохимические показатели иммунитета колорадского жука.
«В обсуждаемой работе наблюдали изменения активности антиоксидантной системы и системы детоксикации в разных тканях организма личинок жуков при скармливании инактивированных или активных бактерий. Мы предполагаем, что у личинок жуков происходит системный иммунный ответ, наблюдаемый после распознавания патогена как эпителиальными клетками кишечника, так и микробиотой кишечника», — прокомментировала заведующая лабораторией патологии насекомых ИСиЭЖ СО РАН кандидат биологических наук Наталья Анатольевна Крюкова.
Ученые предполагают, что эти процессы приводят к синтезу различных биологически активных веществ, которые способны активировать иммунитет без разрушения тканей. Введение нейтрализованных бактерий позволило показать, что при попадании погибших бактериальных клеток в организм колорадского жука гибели особей не происходит.
«Иммунные реакции активируются, так как организм распознал патоген, начал паниковать и готовиться к предотвращению развития инфекции. Это было похоже на то, что мы обычно наблюдаем во время классического развития бактериальной инфекции у личинок жуков», — отметила старший научный сотрудник лаборатории патологии насекомых ИСиЭЖ СО РАН кандидат биологических наук Ольга Викторовна Поленогова.
Виктор Глупов дополнил: «В этом случае активация иммунитета у личинок погибшими клетками бактерий может иметь грубую аналогию с вакцинами. То есть, по сути, это может приводить у насекомых к процессам, схожим с иммунным праймингом (адаптивным иммунным ответом позвоночных на внедрение антигена). Иными словами, если произошла “вакцинация” бактериями личинок в младших возрастах, то прожорливые личинки в старших возрастах и взрослые особи будут более устойчивы к действию активных бактерий. Это выступает экологическим механизмом адаптации к условиям среды».
Подобная «вакцинация» личинок может происходить в поле. Bacillus thuringiensis — это почвенные бактерии и обнаруживаются повсеместно. Клетки живых микроорганизмов могут погибать естественным образом при воздействии солнечного света или под влиянием различных биологически активных веществ, выделяемых другими микроорганизмами. Кроме того, подобные процессы могут происходить при использовании биопрепаратов с истекшим сроком годности и большим количеством погибших микробных клеток (препараты имеют короткий срок хранения).
Воздействие патогенов на организм насекомых, в том числе и на колорадского жука, приводит к сдвигам структуры бактериального сообщества кишечника. Когда микробиота взаимодействует с патогеном, происходит выброс различных метаболитов (продуктов жизнедеятельности микробиоты). Биологически активные вещества приводят к появлению устойчивых микроорганизмов. Поскольку у них могут меняться вирулентные свойства, сами бактерии микробиоты могут становиться патогенными для хозяина.
«У нас есть ряд исследований про сочетание Bacillus thuringiensis с собственной микробиотой колорадского жука. Микробиота может усиливать действие Bacillus thuringiensis, препарата, поэтому для него можно будет использовать меньшее количество бактерий, но они подействуют столь же эффективно. Препарат на этой основе в теории сможет успешно применяться против вредителя, но будет безопасен для других насекомых. Такой подход является перспективным в разработке новых биопрепаратов для контроля численности насекомых», — рассказала Ольга Поленогова.
В будущем ученые планируют провести транскриптомный анализ: узнать, как клетки, ткани и органы колорадского жука реагируют на инактивированные бактерии. Тогда можно будет более точно сказать, какие реакции наблюдаются у насекомых при питании или при попадании этих клеток бактерий, и появятся дополнительные пути, чтобы повысить их эффективность.
«Когда понятен механизм действия чего-либо, можно узнать и слабые точки, где нужно приложить больше усилий. Только с помощью таких фундаментальных исследований можно обнаружить бреши в защитных системах насекомых», — поделилась Наталья Крюкова.
Работа поддержана грантом РНФ.
Ирина Баранова
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии