WYKŁAD 6

1

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

Wykład 6

WYKŁAD 6

2

Metoda biologiczna walki

ze szkodnikami roślin

polega na wprowadzaniu

na zagrożone plantacje

roślin wrogów naturalnych

tych zwierząt. Często jest

rozumiana jednak szerzej i

wiąże się ją z umiejętnym

wykorzystaniem wszelkich

zjawisk zachodzących w

przyrodzie oraz z

zastosowaniem wszelkich

metod niechemicznych.

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

3

Naturalnymi wrogami

szkodników roślin są ich

pasożyty i drapieżce.

Pasożyty żyją na lub w ciele

żywicieli, czerpią z nich

pokarm, wskutek czego

osłabiają je, obniżają ich

płodność i niekiedy

doprowadzają do ich

śmierci.

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

4

Spośród pasożytów

szkodników roślin możemy

wyróżnić grupę silnie

patogenicznych

mikroorganizmów, które

wywołują typowe objawy

chorobowe. Grupa ta

określana mianem

mikroorganizmów

patogenicznych obejmuje :

wirusy, bakterie i

grzyby.

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

5

Zalety

biopreparatów mikrobiologicznych:

nietoksycznosć dla ludzi zwierząt, w tym

owadów pożytecznych

możliwość stosowania w czasie kwitnienia
duża skuteczność działania preparatu

mimo małych dawek

ograniczanie populacji szkodników, które

przeżyły zabieg

trwałość

w

środowisku

(ilość

wprowadzonych mikroorganizmów wykazuje
tendencję wzrostu i zwiększenia nasycenia
środowiska)

możliwość wnikania do tkanek, w których

żerują szkodniki

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

6

Zalety

biopreparatów mikrobiologicznych:

możliwość równoczesnego zwalczania

jednego lub wielu szkodników wrażliwych na
danego patogena

w rozprzestrzenianiu mikroorganizmów

pomagają chore owady, których odchody
zawierające dużą ilość mikroorganizmów
skażają pokarm zjadany następnie przez inne
zdrowe szkodniki

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

7

Wady

biopreparatów mikrobiologicznych:

wpływ

sztucznie

wprowadzonych

patogenów

na

biocenozy:

na

stan

środowiska, oraz na inne bezkręgowce
zwłaszcza glebowe – stwierdzono np.
chorobotwórczy

wpływ

Bacillus

thuringiensis na dżdżownice

duża

zależność

od

warunków

klimatycznych

konieczność utrzymania preparatu w

stanie

dużej

żywotności

przed

jego

zetknięciem ze szkodnikami

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

8

Wady

biopreparatów mikrobiologicznych:

konieczność ustalenia dokładnego terminu

zabiegu ze względu na okres inkubacji
choroby

możliwość wykształcenia odporności u

owadów na toksyny białkowe w przypadku
silnej presji selekcyjnej, zwłaszcza u roślin
transgenicznych

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

9

Szczepy

o

zwiększonej

aktywności

owadobójczej można uzyskać poprzez:

poszukiwanie w naturze nowych bardziej

toksycznych dla owadów szczepów

ulepszanie

stosowanych

szczepów

technikami nierekombinacyjnymi, opartymi
na zjawisku koniugacji polegającym na
przekazywaniu materiału genetycznego z
komórki biorcy do komórki dawcy

ulepszanie technikami rekombinacyjnymi

drogą inżynierii genetycznej

Wstęp

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

10

Na świecie istnieje

ponad 300 gatunków

wirusów owadzich.

Najwięcej wykryto tych

mikroorganizmów u

gąsienic motyli, ale

mogą także atakować

błonkówki, chrząszcze ,

muchówki i inne grupy

owadów

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

11

Ponad 85% wiroz owadów

to

poliedrozy jądrowe

,

które są najbardziej

przydatne w zwalczaniu

szkodliwych gatunków

owadów. Wywołują one

ogólne zakażenie,

wskutek czego chory

owad przestaje żerować i

ginie

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

12

Duże znaczenie w

zwalczaniu szkodników

mają także

granulozy i

poliedrozy

cytoplazmatyczne

.

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

13

Swoją przydatność w biologicznym zwalczaniu
bakulowirusy zawdzięczają:

wysokiej bioselektywności, przez co są

bezpieczne dla człowieka i fauny pożytecznej

powolnej biodegradacji – mogą być

przenoszone przez wiatr, deszcz i ptaki,
stanowiąc stałe źródło infekcji dla owadów

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

14

Zakażenie wirusem

następuje na skutek

spożycia przez owada tzw.

poliedrów. Pod wpływem

soków trawiennych z

poliedrów uwalniane są

wiriony, które przenikają

przez ścianę jelita do krwi i

atakują jądra komórek

różnych tkanek, prowadząc

do ich rozpadu

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

15

Poliedrozy jądrowe

obserwowano u wielu

gatunków gąsienic

motyli: prządki

pierścienicy, rolnic,

białki wierzbówki.

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

16

Charakterystyczne dla

poliedroz

cytoplazmatycznych

jest

białe zabarwienie jelita

chorych owadów.

Zaatakowany owad

przestaje żerować i ginie.

Tego typu schorzenia

obserwowano u rolnic,

błyszczki jarzynówki,

dużych gąsienic sadów.

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

17

Granulozy

to zakażenia

wirusowe,

charakteryzujące się

obecnością ciał

wtrętowych w jądrach

lub cytoplazmie

komórek hipodermy,

ciała tłuszczowego,

nabłonka tchawek

owadów. Hemolimfa

chorych owadów jest

mlecznobiała.

Stwierdzano je u

bielinka kapustnika,

rolnic, sówek, owocówki

jabłkóweczki

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

18

Liczne owady noszą w

swoich organizmach

wirusy, które dopiero w

niekorzystnych dla

żywiciela warunkach, pod

działaniem stresów

środowiska namnażają

się i powodują chorobę

owada. Są to tzw.

latentne infekcje

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

19

Do produkcji preparatów

handlowych wybiera się

gatunki i szczepy

wirusów o największej

zjadliwości. Zwykle

hoduje się owady na

sztucznych pożywkach i

larwy określonego wieku

zakaża się podając im

zakażony pokarm.

Zamierające larwy

homogenizuje się, filtruje

homogenat i

odpowiednio

przygotowuje

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

20

Materiały takie można

przechowywać przez wiele lat w

temperaturze 4st. C.

Standaryzowany materiał zawiera

określoną liczbę wtrętów na

jednostkę objętości lub masy i ma

określoną wirulentność, sprawdzaną

testami biologicznymi.

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

21

Przykładami

biopreparatów

handlowych

zawierających

bakulowirusy są:

Virin,

Virex, Biotrol, Viron,

Polyvirocide,

Matsukemin.

Stosowane są na rośliny

w podobny sposób jak

preparaty chemiczne.

Zabiegom powinno się

poddawać młode larwy,

najczęściej gąsienice.

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

22

Wadami biopreparatów bakulowirusowych

są:

powolne ich działanie (przyczyną tego

jest kilkuetapowy cykl replikacji wirusa
trwający od pięciu do siedmiu dni)

wąski krąg gospodarzy (korzystny z

ekologicznego punktu widzenia,
niekorzystny ze względów ekonomicznych)

wrażliwość na promieniowanie UV

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

23

Intensywnie rozwijane metody inżynierii

genetycznej bakulovirusów wykorzystujące

je do ekspresji obcych genów, mogą

zwiększych atrakcyjność tych

biopreparatów.

Duże nadzieje pokładane są w genach

neurotoksyn, które wbudowane w genom

bakulowirusa mogłyby przyspieszać i

zwiększać skuteczność działania

biopreparatu wirusowego na owada

Biopreparaty wirusowe

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

24

Bakterie

to mikroorganizmy o największej

użyteczności w zwalczaniu szkodników

roślin. Około 100 gatunków bakterii ma

właściwości owadobójcze; wnikają one do

ciała owada przez otwór gębowy, oskórek

lub tchawki.

Wyróżnia się bakterie patogeniczne

obligatoryjne, fakultatywne i potencjalne.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

25

Największe znaczenie

mają bakterie

patogeniczne,

fakultatywne

wytwarzające enzymy,

dzięki którym mogą

rozkładać tkanki

gospodarza.

Przykładem jest

Bacillus thuringiensis

Berliner

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

26

Bacillus thuringiensis

rozmnaża się przez

podział lub tworzy

spory, czyli

przetrwalniki. Oprócz

przetrwalnika w

komórce powstają

substancje toksyczne, z

których jedna, białko,

występuje w formie

romboidalnych

kryształów.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

27

Główną rolę w

patogenezie chorób

owadów odgrywają dwie

grupy toksyn

bakteryjnych:

krystaliczna

endotoksyna i

termostabilna

egzotoksyna. Toksyna

krystaliczna powoduje

paraliż przewodu

pokarmowego, owad

przestaje żerować, ma

biegunkę i wymioty,

wreszcie ginie.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

28

W zależności od

szczepu bakterii

równocześnie mogą

występować różne

objawy dodatkowe, jak

rozluźnienie struktury

ścian jelita (stąd

infekcja jamy ciała),

zaburzenie gospodarki

jonowej organizmu i

podwyższenie pH krwi

zainfekowanego owada.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

29

Niektóre szczepy B.

thuringiensis oprócz

toksyny krystalicznej

wydzielają do podłoża

odporną na

temperaturę, nie

krystalizującą

egzotoksynę. Powoduje

ona w owadach zmiany

teratogeniczne, atrofię

narządów gębowych, co

uniemożliwia im

odżywianie się.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

30

Owady zainfekowane

laseczką turyngską

przestają natychmiast

żerować i giną w ciągu

kilku dni. Bakterie

wpływają raczej na

płodność i wylęg larw,

endotoksyna

krystaliczna zaś na

żerowanie owadów

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

31

Podatne na tę bakterię

są gąsienice ponad 150

gatunków motyli,

pojedynczych gatunków

muchówek i chrząszczy.

Bakteria nie ma

właściwości toksycznych

dla zwierząt wyższych i

człowieka.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

32

Jako pożywkę do

produkcji biopreparatów

stosuje się melasę z

mikroelementami i

witaminami. Handlowe

nazwy biopreparatów to:

Thuricide, Biospor,

Dipel,

Bitoksybacillin,

Insektin, Gomelin,

BIP, Bactospeine,

Ektobakterin,

Dendrobacilin

i inne

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

33

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

Niektóre biopreparaty zawierające B.
thuringiensis do zwalczania szkodników
owadzich

Biopreparat

Mikroorganizm

Bactospeine 16000WP

(Abbott Lab., USA)

Bacillus thuringiensis

var. kurstaki

Biobit 3,2 WP (Abbott
Lab., USA)

Bacillus thuringiensis
var. kurstaki

Dipel 3,2 WP (Abbott
Lab., USA)

Bacillus thuringiensis
var. kurstaki

Ekotech 15 OF (AgroEvo,
Niemcy)

Bacillus thuringiensis
var. kurstaki

Ekotech Pro 075 OF
(AgroEvo, Niemcy)

Bacillus thuringiensis
var. kurstaki

WYKŁAD 6

34

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

Niektóre biopreparaty zawierające B.
thuringiensis do zwalczania szkodników
owadzich

Biopreparat

Mikroorganizm

Foray 02,2 UL (Abbott
Lab., USA)

Bacillus thuringiensis var.
kurstaki

Foray 03 UL (Abbott
Lab., USA)

Bacillus thuringiensis var.
kurstaki

Foray 04 UL (Abbott

Lab., USA)

Bacillus thuringiensis var.

kurstaki

Novodor 02 SC (Abbott
Lab., USA)

Bacillus thuringiensis var.
tenebroides

Thuricide (Thermo
Trilogy Co., USA)

Bacillus thuringiensis

Thuridan – Krem (Polfa,
Polska)

Bacillus thuringiensis

WYKŁAD 6

35

Pierwsze handlowe

biopreparaty B.

thuringiensis pojawiły

się na rynku we Francji

w 1938 roku, ale na

szeroką skalę zaczęto je

stosować od 1961 roku,

kiedy zostały one

zarejestrowane, a ich

masowa produkcja

została podjęta w USA,

Francji, Niemczech i w

dawnym ZSRR.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

36

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

W Polsce pierwsze

zastosowanie

biopreparatów datuje

się na początek lat

sześćdziesiątych, a

pierwszym

zarejestrowanym

biopreparatem był

Thuricide WP (Lipa

1962). Dzisiaj jest

zarejestrowanych w

naszym kraju 10

biopreparatów, w tym

dwa z nich Bacilan i

Thuridan są

produkowane w Polsce.

WYKŁAD 6

37

W roku 1986 na Sesji Naukowej IOR
przedstawiono perspektywę wytworzenia z
trzech

szczepów

Bacillus

wykazujących

biologiczną aktywność przeciwko różnym
rzędom

owadów,

jednego

szczepu

uniwersalnego,

który

posiadać

będzie

wlaściwości zabijania owadów z rzędu motyli,
chrząszczy oraz muchówek.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

38

Przewidywania te stały się rzeczywistością,
gdyż

na

drodze

inżynierii

genetycznej

uzyskano nowe szczepy bakterii Bacillus
thiuringiensis oraz nowe formy użytkowe
biopreparatów

przydatne

w

zwalczaniu

szerszego

kręgu

szkodliwych

owadów,

przeciwko którym, dawne biopreparaty były
nieskuteczne.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

39

Ograniczenia

konwencjonalnych

biopreparatów B. thuringiensis:

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

Skuteczność

ograniczona

do

rzędu

owadów;

Nieskuteczność

przeciwko

owadom

wewnątrz tkanek;

Krótki okres aktywności pozostałościowej;
Szybka degradacja toksyn w glebie;
Nieskuteczność

przeciwko

owadom

glebowym;

Absorpcja do cząstek organicznych;
Szybka sedymentacja;

WYKŁAD 6

40

Obecnie wprowadzane są “genetycznie”
udoskonalone biopreparaty. Bakterie z
nowych biopreparatów mogą wnikać do
wnętrza tkanek, w których żerują owady, bądź
przemieszczać się w glebie do strefy
przykorzennej, w której żerują larwy
szkodników.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

41

Dalszy postęp w technikach inżynierii
genetycznej pozwolił uzyskać biopreparaty o
wielu specyficznych cechach (np. brak
przetrwalników), dzięki czemu spełniały
wymagania krótkiej trwałości w środowisku
wodnym stawiane przez niektóre kraje, np.
Niemcy.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

42

Biopreparaty produkowane przez Mycogen
Corporation charakteryzują się tym, iż
techniką rekombinacji DNA przeniesiono
geny CryIA - kodujące produkcję delta-
endotoksyny - do niechorobotwórczej bakterii
Pseudomonas fluorescens, w komórce której
nie rozwija się przetrwalnik natomiast
powstaje krystaliczna endotoksyna o swym
normalnym romboedrycznym kształcie i
toksycznym działaniu na wrażliwe owady.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

43

Komórki P. fluorescens hodowane są w
płynnych pożywkach w tkankach
fermentacyjnych i zabijane metodami
fizycznymi lub chemicznymi. Kryształy B.
thuringiensis są otoczone przez ścianki
komórki P. fluorescens i dlatego technika ta
nazywana jest CellCap, a ma ona wiele
korzystnych cech technologicznych i
środowiskowych.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

44

Biopreparaty oparte na bakteriach – wektorach, którym
na drodze inżynierii genetycznej wprowadzono określone
geny Bacillus thuringensis

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

Wprowadzony

gen

Bakteria wektor lub

biopreparat

Korzyści dla

ochrony roślin

Cry IA(c)

Kolonizator układu
I wiazkowego Clavibacter

xyli In-Cide
Kolonizator liści
Pseudomonas fluorescens
Cell-cap (Mycogen)

Zwalczanie

endofitofagów np.

Ostrinia nubilalis

Zwiększona

trwałość na liściach

Cry IA (b)

Pseudomonas fluorescens Zwalczanie

szkodników korzeni

Cry IVB

Pseudomonas fluorescens Zwalczanie larw

koziułek

Cry IV

Bradyrhizabium

Zwalczanie larw

Riviella ssp. na

brodawkach
korzeniowych.

WYKŁAD 6

45

W

przypadku

biopreparatu

In-Cide

wektorem jest obojętna dla roślin bakteria
Clavibacter xyli, zasiedlająca komórki
sitowe, a więc istniejąca w wewnętrznych
tkankach roślin np. kukurydzy.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

46

Gąsienice omacnicy prosowianki, które
wygryzają chodniki w pędach kukurydzy
zjadają z tkankami bakterie C. xyli
zawierające owadobójcze toksyny i ulegają
zatruciu.
Tego

rodzaju

użytkowe

formy

biopreparatów B.thuringiensis są znacznie
bardziej skuteczne w ochronie kukurydzy
od

granulowanych

form

stosowanych

dotychczas.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

47

W przypadku owadobójczego biopreparatu
Cell-Cap

wektorem

jest

bakteria

Pseudomonas fluorescens, która tworzy
trwałą fillosferę na liściach roślin.
Dzięki

temu

zabieg

opryskiwania

biopreparatem

wykazuje

wielokrotnie

wyższą trwałość, a tym samym większą
skuteczność w zwalczaniu liściożernych
owadów

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów

WYKŁAD 6

48

Biopreparaty

B.thuringiensis oparte na

bakterii P.fluorescens

zasiedlającej także system

korzeniowy mogą

być

stosowane do zwalczania

szkodników korzeniowych

z rzędu Lepidoptera,

Coleoptera czy Diptera,

zależnie od typu genów

B.thuringiensis

wprowadzonych do ich

komórek.

Biopreparaty bakteryjne

Biotechnologia w produkcji

biopestycydów