Роль спор В. thuringiensis в определении круга хозяев

20.06.2014

При определении восприимчивости насекомых к В. thuringiensis следует учитывать, что роль заглатываемых спор зависит от среды, в которой развиваются бактерии в кишечнике хозяина. Состав этой среды специфичен для разных видов насекомых и определяется пищей, находящейся в процессе переваривания, и выделяемыми ферментами, на которых развивается более или менее разнообразная и обильная микрофлора. Состав среды кишечника чрезвычайно изменчив в зависимости от характера пищи и физиологического состояния хозяина. Поскольку эта среда столь сложна и поскольку результаты действия спор часто маскируются ярко выраженными симптомами токсемической активности кристалла, взаимосвязи содержимого кишечника с патогенным микроорганизмом изучены еще довольно слабо. Чтобы понять их влияние на восприимчивость насекомого, необходимо исследовать как факторы, действующие в кишечной среде, так и механизм заражения насекомого В. thuringiensis.

1. Факторы, регулирующие прорастание спор и активность бактерий

К числу факторов, способных влиять на развитие микрофлоры в кишечнике, относятся pH, окислительно-восстановительный потенциал, степень анаэробности, ферменты, антибиотики, антагонисты и фаги. Участие некоторых из них в настоящее время полностью доказано.
А. Действие pH. Поскольку щелочная среда с pH 9,0—9,5 обычно неблагоприятна для развития В. thuringiensis и сохранения его вирулентности, pH кишечника является одним из наиболее важных факторов. У многих чешуекрылых, у гусениц которых pH кишечника, как правило, бывает выше 9,0, как у В. mori, прорастание спор подавляется и проглоченные вегетативные клетки быстро разрушаются. Тем не менее, если бактерии выживают в кишечнике этих видов, они (могут начать развиваться и заразить хозяина, если pH кишечника снижается — у некоторых видов естественно, во время линьки и окукливания, или же при истощении, как, например, у Malacosoma disstria или в результате токсемического действия кристалла, к которому эта категория насекомых чувствительна. У других бабочек и у растительноядных перепончатокрылых, pH кишечника которых обычно ниже 9,0, при отсутствии других факторов подавления, споры прорастают и бактерии размножаются в кишечнике с различной быстротой в зависимости от вида хозяина. В то время как в кишечнике E. kueliniella вегетативные формы дегенерируют, в кишечнике других видов, например Cydia potnonella или Pristiphora erichsonii, бактерии быстро разхмножаются. Наивысшая устойчивость к заражению у E. kuchniella, щелочность содержимого средней кишки которой незначительно выше, чем у С. pomonella; это обстоятельство показало, что pH не единственный фактор, регулирующий активность бактерий.
Б. Действие антибиотических и бактериостатических факторов. Различные штаммы В. thuringiensis чувствительны к действию определенных антибиотиков. Кроме того, некоторые другие вещества, встречающиеся во многих растениях, поедаемых насекомыми, препятствуют росту бактерий. Ингибирующие вещества, содержащиеся в растительной пище, могут препятствовать развитию бактерий в кишечнике и временно изменять восприимчивость хозяина к данному штамму или штаммам В. thuringiensis. Однако, когда поглощение ингибитора прекращается, особенно во время предкуколочной стадии, бактерия может стать патогенной. Имеется также много указаний на другие антибиотические вещества, естественно встречающиеся в содержимом кишечника и в гемолимфе членистоногих. Хотя до сих пор при заражениях В. thuringiensis активность такого рода обнаружена не была, такие явления могут быть причиной разницы в восприимчивости видов.
В. Действие бактериофагов. Бактериофаги поражают различные штаммы В. thuringiensis. Некоторые из них были обнаружены в кишечнике ряда видов чешуекрылых, где они могли снижать восприимчивость насекомых к заражению проглоченными спорами; пока же эта гипотеза ничем не подтверждена.

2. Механизмы заражения спорой и другими бактериальными элементами

А. Токсикоинфекция. Для чешуекрылых, у которых pH кишечника превышает 9,0, например у В. mori, Р. brassicae и других видов, одновременное заглатывание спор и кристаллов является одним из условий, позволяющих спорам участвовать в заражении. Вторичное следствие токсемии, обусловленное кристаллами, например снижение pH кишечника почти до нейтрального, допускает прорастание спор и размножение бактерий в кишечнике, а разрушение перитрофической мембраны и эпителия средней кишки способствует проникновению патогенов в полость тела, что приводит к гибели насекомого в результате септицемии. При небольшом числе заражений, вызываемых у В. mori или у Р. brassicae заглатыванием небольших доз комплекса спора — кристалл, подострый токсикоз вызывает обычно синдром бактериальной дизентерии, или вялости, характеризующейся преобладанием обычных видов кишечной микрофлоры. Эти виды считаются потенциальными (факультативными) патогенами, но нормально вирулентны. Среди них В. thuringiensis развивается только как факультативный патоген, и рост его, по-видимому, подавляется антагонистическим действием остальной микрофлоры или других неблагоприятных условий кишечной среды.
В какой-то степени направленность токсикоинфекции в сторону фатальных синдромов, септицемии или «вялости» зависит от степени первоначального отравления хозяина и, следовательно, не только от заглатываемой дозы, но и от специфической чувствительности к кристаллу используемого штамма В. thuringiensis. Таким образом, действием спор можно отчасти объяснить расхождение между смертностью и степенью ослабления питания после заглатывания комплекса спора — кристалл разных штаммов бактерий различными видами насекомых.
У растительноядных перепончатокрылых и у бабочек, невосприимчивых благодаря pH их кишечника, к целым кристаллам, заглатывание только спор или спор вместе с кристаллами может вызвать в кишечнике бактериальную инфекцию, быстро переходящую в летальную септицемию. Как показали Хеймпел на P. erichsonii и Майас на С. pomonella, для синдрома характерны такие симптомы, как понос, летаргия и атония, сопровождающиеся рядом гистологических поражений, заканчивающихся разрушением перитрофической мембраны и клеток эпителия средней кишки наряду с дегенерацией клеток ряда органов — слюнных желез, мальпигиевых сосудов, мышц, нервной ткани и гиподермы. Это свидетельствует о вторичной токсемии в результате бактериальной инфекции, несколько отличной от токсемии, вызываемой кристаллами. Хеймпел установил корреляцию между патогенностью нескольких штаммов В. cereus и В. thuringiensis для Р. erichsonii и их относительной способностью вырабатывать лецитиназу. Кушнер и Хеймпел постулировали, что при размножении бактерий в содержимом кишечника пилильщика образуется токсический фермент, диффузия которого в тело хозяина вызывает наблюдаемые гистологические повреждения. Хеймпел отметил, что pH содержимого средней кишки Р. erichsonii (7,1—8,4) и С. pomonella (7,5—8,0) одинаково оптимальны для активности лецитиназы (6,6—7,4). Ho, по мнению Майаса, патогенность ряда штаммов В. thuringiensis в С. pomonella не соответствует ни активности их лецитиназы, ни их протеолитической активности. Таким образом, как сообщал Рогов, не следует игнорировать роль активности бактериальных ферментов в механизме восприимчивости насекомых к заражению В. thuringiensis, но не следует и переоценивать ее.
Б. Постларвальная септицемия. Гибель после заглатывания В. thuringiensis наступает не только вследствие токсемии в личиночных стадиях, но и позднее как результат септицемии, развивающейся у некоторых видов, например у Malacosoma disstria, Sarrothripus cinereatia, Nymphalis antiopa и Choristoneura fumiferana, в период завивки кокона и окукливания. Сходная картина наблюдалась у Spilonota ocellana и Pectinophora gossypiella в конце зимней личиночной диапаузы. Кулагин наблюдал естественную эпизоотию септицемического характера, вызванную кристаллообразующей бактерией у гусениц последнего возраста и куколок в популяции Selenephera lunigera (Lepidoptera, Lasiocampidae).
Как в периоды физиологического стресса, у гусениц постларвальная септицемия может развиться вследствие исчезновения ингибирующих факторов, обычно присутствующих в кишечнике хозяина. Однако бациллярные элементы могут не всегда быть единственной причиной задержки септицемии. Многие из указанных результатов были получены при использовании промышленных препаратов, для которых не были точно указаны ни штамм, ни составные части, ни способ приготовления и в которых можно было предполагать присутствие термостабильного экзотоксина как фактора, способствующего гибели, сходной с гибелью в результате токсической септицемии. Напротив, о причине септицемии, которую Тюменцев наблюдал у куколок Dendrolimus sibiricus, развившихся из крупных гусениц, заглатывавших споры только одного штамма В. thuringiensis var. dendrolimus (серотип IV), можно говорить с гораздо большей уверенностью, поскольку этот штамм не вырабатывает термостабильный экзотоксин.
Независимо от механизма, лежащего в основе процесса, ряд видов насекомых восприимчив к спорам ВТ и к бактериальной инфекции, вызываемой ими совместно с токсическими процессами или без них.