Cơ chế tác dụng của Bacillus thuringiensis

Bài viết dưới đây nói về Độc tố và cơ chế gây độc của vi khuẩn Bacillus thuringiensis trên các loại sâu hại.

Ngày đăng: 28-05-2018

7,508 lượt xem

Độc tố và cơ chế gây độc của vi khuẩn B. thuringiensis 

Đặc điểm

B. thuringiensis có khả năng tạo ra 4 loại độc tố trong quá trình phát triển của chúng:

  • Ngoại độc tố  (alpha  - exotoxin) hay còn gọi là photpholipase – C.

  • Ngoại độc tố  (beta - exotoxin) hay còn gọi là ngoại độc tố bền nhiệt.

  • Nội độc tố  (gama - endotoxin) hay còn gọi là tinh thể độc.

  • Độc tố tan trong nước.

Trong bốn loại độc tố của B. thuringiensis, người ta quan tâm nhất đến độc tố tan trong nước và tinh thể độc.

Các nhóm chất độc của B. thuringiensis  

Vi khuẩn B. thuringiensis  gây bệnh cho côn trùng qua con đường tiêu hóa. Bào tử nảy mầm dẫn đến sự sinh sản của vi khuẩn trong cơ thể vật chủ làm cho côn trùng chết, song yếu tố chính làm cho côn trùng chết nhanh chóng lại là chất độc do vi khuẩn sinh ra. Các chủng khác nhau thuộc loài B. thuringiensis  sinh ra hai loại chất độc chính, đó là các chất độc tinh thể (Cry - Crustal) được mã hóa bởi các gen cry khác nhau (đây cũng là một trong các dấu hiệu dùng để phân loại các nhóm B. thuringiensis) và các chất độc phân giải tế bào (Cyt - Cytolytic) có tác động riêng rẽ và tổ hợp cùng Cry làm tăng tác dụng của tinh thể độc.

Nhóm chất độc Cyt bao gồm các ngoại độc tố (sản phẩm tiết của vi khuẩn) , , .

  • Ngoại độc tố alpha là một loại enzyme phospholipase C hay leucitinase C được tiết ra trước khi bào tử và tinh thể độc được hình thành gây phân hủy mô trong cơ thể côn trùng bị tác động, không bền với  nhiệt, có trọng lượng phân tử thấp.

  • Ngoại độc tố beta là loại ngoại độc tố của B. thuringiensis  được nghiên cứu kỹ nhất. Độc tố này có tính bền nhiệt, được tạo ra trước khi tinh thể độc hình thành. Ngoại độc tố  có cấu trúc tương tự như ATP, có tác dụng cạnh tranh với ATP, làm ức chế hoạt động của ARN - polymerase. Cùng với tinh thể độc, ngoại độc tố này xâm nhập vào huyết tương của côn trùng, đến các cơ quan làm tăng tính độc của vi khuẩn khi đi vào cơ thể côn trùng. Hiệu quả của độc tố  thể hiện rõ trên đối tượng sâu non của côn trùng chịu tác động, làm ngăn cản quá trình lột xác, hoặc gây ra dị trường trong phát triển. Tác dụng của độc tố này còn phụ thuộc vào liều lượng sử dụng và cách thức gây độc, gây độc qua tiêm cho hiệu quả mạnh hơn là qua đường tiêu hóa.

  • Ngoại độc tố gama là một loại phospholipase tác động lên phospholipid, làm phá hủy mô tế bào. Ngoại độc tố  có tính bền nhiệt (ở 120oC sau 15 phút vẫn giữ được hoạt tính). Độc tố này có trọng lượng phân tử 707 - 850 Dalton. Ngoại độc tố  có chứa aderrin, photphat, ribose, glucose và allomusic acid.

So với 3 nhóm ngoại độc tố trên, tinh thể độc (hay tinh thể độc Cry) do nhà khoa học E. Berliner tìm ra lần đầu tiên vào năm 1915, sau đó năm 1927, nhà khoa học O. Mattes đã tìm ra một loại tinh thể được tạo ra trong cơ thể B. thuringiensis khi B. thuringiensis bắt đầu tạo bào tử.

Tinh thể độc được tạo ra với lượng lớn hơn nhiều và có hiệu quả chính gây độc cho côn trùng. Mãi đến năm 1955, người ta mới biết được tinh thể này có bản chất là protein và có liên quan đến độc tính của B. thuringiensis. 

Ngoài thành phần protein, tinh thể độc còn chứa nhiều nguyên tố khác như: Ca, Mg, Fe, Si, Zn hay Al… Tinh thể độc được bắt đầu tạo ra khi khởi đầu quá trình hình thành màng bào tử. Khi được kết tinh thành tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau, chủ yếu là hình thoi. Tinh thể không hòa tan trong nước, hoặc các chất hữu cơ  Chloroform, Acetol, ether, nhưng có thể hòa tan trong dung dịch kiềm. Tinh thể có thể ổn định trong các dung dịch có phạm vi pH rộng (4 – 12), có thể bị biến tính trong acid trichloaxetic, clorua thủy ngân. Tuy nhạy cảm với nhiệt độ cao song có tính chịu nhiệt nhất định (ở 650C có thể giữ được 1 giờ, 800C có thể giữ được 20 phút).

Tinh thể độc có kích thước khá dài và rộng (dài khoảng 1 um và rộng khoảng 0,5 um). Chúng chiếm khoảng 30% toàn bộ khối lượng tế bào và biểu hiện tính độc của B. thuringiensis.

Tinh thể độc thường làm chết các ấu trùng Bộ cánh vảy. Trong thành phần tinh thể độc có hai loại amino acid, số lượng nhiều nhất là glutamic acid và asparaginic acid.

Người ta xem tinh thể độc như một tiền độc tố (protoxin). Nó chỉ trở thành độc tố thực sự khi có mặt trong ruột của một số côn trùng. Khi đó sẽ hình thành những phần tử độc tố với trọng lượng phân tử vào khoảng 5000. Tinh thể độc thuộc loại bền nhiệt, thường gây ra sự hủy hoại đường tiêu hóa của sâu bệnh. Khi đường ruột bị tê liệt bởi tinh thể độc, tế bào thượng bì của ruột bị biến đổi. Tinh thể độc của B. thuringiensis chỉ gây độc với đường ruột sâu bệnh, còn với người và động vật, tinh thể độc hoàn toàn vô hại. Nhiều nghiên cứu cho thấy ở động vật có vú, pepsin trong đường tiêu hóa đã làm biến đổi trạng thái độc của tinh thể độc sang trạng thái không độc. 

Đã có hơn 50 gen mã hóa cho protein tinh thể độc đã được giải mã cho phép phân loại các chất độc này thành 15 nhóm dựa trên sự giống nhau trong trình tự gen.

Các độc tố trừ sâu của các chủng B. thuringiensis trước nay đã được chia thành bốn nhóm chính: CryI, CryII, CryIII và CryIV dựa vào hoạt tính trừ sâu của độc tố. Các protein CryI độc với côn trùng cánh vảy, CryII độc với cả côn trùng cánh vảy và hai cánh, CryIII độc với côn trùng cánh cứng và CryIV độc với côn trùng hai cánh. Các protein này lại được chia thành các dưới lớp (A, B, C,…) và dưới nhóm (a, b, c, …) theo trình tự AND của độc tố.

Cơ chế gây độc của Bacillus thuringiensis

Tinh thể độc cùng với bào tử xâm nhập vào cơ thể sâu bằng con đường tiêu hóa khi sâu ăn phải lá có vi khuẩn B. thuringiensis. Trong điều kiện bình thường, tinh thể độc không hòa tan này chưa phải là dạng hoạt động. Dạng tiền độc tố thành dạng hoạt tính (60 – 66kDa) độc tố . Độc tố này liên kết với tế bào biểu mô thành ruột, đâm qua màng tạo thành lỗ xuyên màng, làm mất cân bằng ion nội bào của tế bào biểu mô và làm chúng bị phân giải, sâu ngừng ăn và bị chết đói. pH trong ruột bị giảm xuống bằng với pH nội mô trong huyết tương. Độ pH thấp này cho phép các bào tử nảy mầm, xâm chiếm vật chủ và cuối cùng là gây chết.

Những nghiên cứu gần đây về cấu trúc nội độc tố  cho thấy, protein này có 3 vùng chức năng:

  • Vùng I là một bó gồm 7 chuỗi xoắn . Một vài chuỗi hoặc tất cả các chuỗi có thể cài vào màng tế bào ruột, tạo ra các lỗ, từ đó các ion có thể qua lại tự do.

  • Vùng II chứa 3 dải  không song song tương tự như vùng gắn kháng nguyên biểu mô ruột.

  • Vùng III có nhiệm vụ bảo vệ độc tố đã được hoạt hóa không bị phân hủy bởi protease ở ruột.

Với cấu trúc phức tạp như vậy, nội độc tố  liên kết đặc hiệu với các thụ thể trên màng tế bào biểu mô ruột của sâu, gây ra tác động dây chuyền được nêu ở trên. Chính điều này làm nên tính đặc hiệu rất cao trong hiệu quả tác động của Bt lên sâu hại. Do đó, phổ tác dụng của B. thuringiensis  tương đối hẹp, tùy vào từng loại tinh thể độc mà các chủng B. thuringiensis  có tác dụng với các sâu của nhóm côn trùng chủ yếu thuộc bộ Lepidoptera.

Vi khuẩn B. thuringiensis  sau khi vào đến ruột côn trùng (côn trùng ăn rau có vi khuẩn B. thuringiensis) thì tinh thể độc sẽ được phóng thích. Khi tinh thể độc vào được đường ruột côn trùng, có hai yếu tố tạo ra tính độc đối với côn trùng:

  • Một số côn trùng tạo ra protease trong đường ruột. Các enzyme này sẽ chuyển tiền độc tố của tinh thể thành độc tố.

  • pH ở đường ruột côn trùng: pH ở ruột giữa và ở ruột trước của côn trùng nằm trong vùng pH kiềm (> 8,9). Khi pH ở giá trị này tinh thể bị vỡ ra.

Tinh thể độc bị vỡ ra sẽ tạo thành những mảnh nhỏ gắn vào thành ruột, sau đó thành ruột bị phá và để lại biểu mô không bị hại gì. Do thành ruột bị phá nên sự co bóp của ruột ngừng lại.

Khi ruột ngừng co bóp, những chất trao đổi của vi khuẩn (và những sản phẩm trao đổi chất bình thường của ruột) bị đọng lại ở một chỗ nào đó trong ruột sẽ gây ngộ độc cho biểu mô.

Biểu mô bị phá hủy mất dần từng tế bào và ruột bị thủng, bào tử và tinh thể độc chuyển sang khoang thân của côn trùng. Tinh thể độc xâm nhập vào máu và tế bào biểu mô gây nhiễm trùng máu, côn trùng chết.

Bên cạnh đó, do sự biến đổi sinh lý trong ruột (thành ruột bị phá huỷ) một số vi khuẩn bình thường trong ruột đã trở thành vi khuẩn gây hại cho côn trùng. Chúng di chuyển vào máu và một phần cũng là nguyên nhân gây chết cho côn trùng (chúng sinh sản làm gia tăng số lượng vi khuẩn trong máu). 

bacillus_thuringiensis_siamb_co_che

 

  VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG VI SINH MIỀN NAM

Khu thực nghiệm: Ấp 3, Xã Xuân Thới Thượng, Hóc Môn, Tp.HCM (1,6ha)
Nhà máy: Lô D08, Đường số 2, CCN Đức Thuận, Mỹ Hạnh Bắc, Đức hòa, Long An
SĐT: 0917035038
http://www.siamb.vn
info@siamb.vn