Bacterias entomopatogenas

Las bacterias son microorganismos simples con células procariontes individuales, se reproducen por división celular simple conocido como fisión binaria, su tamaño oscila entre 1 a 5 μm., pueden ser saprofitos hasta obligadamente parásitas, son patógenas extracelulares, prosperan en ambientes aerobios y anaerobios; en condiciones cálidas o frías, lugares obscuros o luminosos, secos o húmedos.

Pocas especies de bacterias se han reportado como patógenas de insectos, lo cual ha despertado el interés debido a su potencial para el control de plagas en agricultura, las especies más reconocidas como patógenas para insectos son las familias: Bacillaceae, Enterobacteriaceae y Streptococcaceae.

Estructura

Son bacterias Gram-positivas, flageladas, ubicuas, esporulantes, tienen una morfología alargada simulando un bastón, producen toxinas que son diferentes entre especies, pueden formar cristales (paraesporas) de proteínas toxicas cuando esporulan como B. thuringiensis y B. popilliae, estas lisan eritrocitos de diferentes especies de animales (hemolisinas), atacan proteínas (actividad proteolítica), degradan lecitinas por acción de lecitinasas, otras poseen propiedades patógenas para insectos, las proteínas que lo componen se denominan delta–endotoxinas que son de dos tipos: Cry y Cyt la característica única es su habilidad para producir endosporas bajo condiciones ambientales de estrés (físicas o químicas), capacidad que les permite mantenerse inactivas por largos periodos de tiempo.

Se encuentran en el suelo, agua, polvo, etc., pueden ser aerobias estrictas o anaerobias facultativas; incluyen especies de vida libre como patógenas, también por su aptitud para ser tratados industrialmente (son la base de varios insecticidas biológicos comerciales) y su aplicación en el campo.

Clasificación

Las más usadas para control biológico son formadoras de esporas de la familia Bacillaceae, en especial del genero Bacillus que incluye 51 especies, son agentes naturales, las toxinas han sido usadas para poder clasificarlas, la formación y resistencia de sus endosporas, producción de antibióticos, toxicidad de sus esporas, y la producción de cristales proteicos tóxicos para varias órdenes de insectos hacen a este género importante en medicina, agricultura, bioquímica y en la empresa farmacéutica.

Solamente cuatro especies de bacterias han sido producidas y se encuentran ampliamente comercializadas (B. popilliae, B. sphaericus, B. thuringiensis, B. entomophila); las especies patógenas de insectos más importantes usadas en el control biológico de plagas son: B. sphaericus (ahora Lysinibacillus sphaericus), B. laterosporus (incluida en el género Brevibacillus), Paenibacillus larvae, P. lentimorbis, y P. popilliae (especies descritas como Bacillus) son patógenos invasivos, y B. thuringiensis que forma un cuerpo paraesporal toxico para insectos, muestran un amplio espectro y niveles de actividad correlacionada con la naturaleza de las toxinas, las cuales son producidas durante la esporulación.

Algunas especies de la familia Enterobacteriaceae son reconocidos patógenas para insectos como Serratia entomophila, esta especie no esporulante, provoca mayor mortalidad, y mata bloqueando los intestinos de su hospedador, otras con actividad entomopatogena incluyen a Photorhabdus luminescens, Xenorhabdus nematophilus y Yersinia enterocolitica, las especies no incluidas dentro la familia Enterobacteriaceae que poseen actividad patógena para insectos son: Pseudomonas entomophila, Erwinia carotovora, Dickeya dadantii.

Forma de acción de las bacterias entomopatogenas

La mayoría de las bacterias entomopatogenas invaden a sus hospederos al ser ingeridas las esporas proteicas tóxicas, aparentemente se insertan en las membranas del intestino medio, aumentando la conductividad del potasio de las membranas apicales de células columnares; llevando a la ruptura de los gradientes eléctricos de potasio y aumentando el pH de la hemolinfa, causando la destrucción parcial del intestino medio (mesenteron), sobreviviendo una septicemia consecuente, se paraliza el cuerpo y el intestino medio, en algunos casos dañando la lignina, el cadáver del insecto se torna oscuro, por la oxidación de la hemolinfa y crecen gran cantidad de bacterias saprofitas provenientes de su tracto digestivo (flora intestinal y del alimento) como del medio que lo rodea, el cuerpo se descompone en forma floculenta con excepción del integumento (exoesqueleto), posteriormente se seca y endurece, la mortalidad resulta del desequilibrio del contenido básico hipotónico del intestino medio y la hemolinfa; en algunos casos la muerte se da por la septicemia o disentería o ambas, después de la germinación de las esporas.

Síntomas de los insectos infectados

Los primeros efectos se reflejan en la paralización del tubo digestivo, pérdida de apetito, diarrea lo que provoca movimientos lentos, vomito, convulsiones y parálisis general, para después invadir totalmente al hospedero y causarle la muerte, adquieren un olor fétido, toma un color café oscuro y negro, las larvas afectadas cambian de color, por lo general de negro a marrón, la cabeza se hace más alargada, suelen morir entre varios días hasta una semana. Dispersión del inoculo

La dispersión se realiza por factores abióticos como el viento, la lluvia, el riego, donde transportan las esporas; los bióticos como parásitos, depredadores, adultos del hospedante, las larvas muertas donde permanecen y serán el inoculo inicial para futuras infecciones, usualmente deben ser ingeridas por los hospederos para entrar en el cuerpo a través del intestino.

Persistencia

Dependen de los nutrientes disponibles, las condiciones del suelo; temperatura, contenido de humedad, aireación y pH; cuando perciben la falta de agua o de nutrientes y elevadas concentraciones de oxígeno, dejan de crecer, engendran en su interior una célula que contiene información genética se convierte en una espora, una vez maduras, son muy resistentes al calor, a la radiación y a los agentes microbianos, pueden perdurar muchos años en el medio ambiente.

Las especies de Bacillus son formadoras de esporas y sobreviven en un rango de pH de 2 a 8 y temperaturas entre -5 ºC y 75 ºC, algunas especies de Bacillus presentan gran habilidad para guardar compuestos químicos orgánicos como los plaguicidas.

Bacilius thuringiensis

Taxonomía de Bacillus thuringiensis:

Orden: Bacillales, División: Firmicutes, Familia: Bacillaceae, Género: Bacillus, Especie: thuringiensis, Variedades: Bt var. Aizawai, israelensis, kurstaqui, tenebrionis.

Es una bacteria aeróbica estricta, gram-positiva, de flagelación perítrica, que mide de 3 a 5 μm de largo por 1 a 1,2 μm de ancho y que posee la característica de desarrollar esporas de resistencia elipsoidales, es un microorganismo anaerobio facultativo, quimioorganótrofo y con actividad de catalasa, ubicua (sus esporas han sido aisladas del suelo, agua, larvas de insectos muertos, hojas de árboles y telarañas), que produce endoesporas; el tamaño de su genoma puede variar de 2.4 a 5.7 Mb, se clasifica de acuerdo a su serotipo H – flagelar, o sea por las proteínas presentes en el flagelo; Las proteínas que lo componen se denominan delta-endotoxinas que son letales para muchos lepidópteros, también para especies de dípteros y coleópteros, se diferencia de otros bacilos por la presencia de un cristal proteico con propiedades insecticidas.

Fases

Presenta dos fases:

Crecimiento vegetativo: se duplica por bipartición, se presenta en el interior de los insectos que infecta, cuando consume los nutrientes del insecto susceptible, esporula y es liberada al medio ambiente donde permanece en forma de espora, lo que explica su amplia distribución, esta fase finaliza con el empobrecimiento de los nutrientes en el medio que la da paso a la fase estacionaria en la formación de la endospora y las inclusiones cristalinas paraesporales; en esta fase la célula es denominada esporangio y está compuesta por dos comportamientos; la célula madre y la forespora.

Esporulación: consta de siete estadios, se inicia cuando la bacteria se encuentra en limitación de nutrientes, se encierra con la fase lítica, en la que la endospora se lisa, liberándose al medio la exoespora y los cristales.

Estadio I: se inducen los genes que iniciaran la esporulación, esto ocurre en ausencia de nutrientes o en presencia de condiciones adversas para la bacteria, esto puede ser reversible si se adicionan nutrientes.

Estadio II: es de esporulación, el proceso es irreversible con la formación de un septo de división asimétrico.

Estadio III: se inicia la síntesis del cristal insecticida, la cual continuará hasta el final de la esporulación, en un complejo proceso mediado por la expresión de los genes Cry gracias a sus promotores Bt1 y Bt2, que actúan de manera secuencial en la síntesis del cristal insecticida.

Estadio VII: Se liberan las esporas y los cristales insecticidas.

Acción de las toxinas

Las toxinas están presentes como agregaciones cristalinas de proteínas que se vuelven solubles en el tracto digestivo de una larva que la ingiere, en este estado se insertan en las membranas del epitelio intestinal donde funcionan como poros, las células del epitelio mueren por el efecto lítico de las proteínas lo que resulta en la muerte del insecto.

Tipos de toxinas

Se clasifican en dos familias: las proteínas Cry y las proteínas Cyt. Estas toxinas son los componentes mayoritarios de los cristales paraesporales de B. thuringiensis, además son los principales factores insecticidas de esta especie.

La principal diferencia entre las endotoxinas Cry y Cyt, es que las endotoxinas Cry usan α-hélices para provocar poros en la membrana, mientras que las endotoxinas Cyt usan láminas de β.

Estructura de las toxinas Cry

La estructura tridimensional de la parte activada de las δ-endotoxinas Cry consta de tres dominios de organización molecular. El dominio I es un ramillete de α-hélices, el dominio II es un prisma, formado por 3 láminas β antiparalelas empaquetadas alrededor de un centro hidrófobo, el dominio III está formado por dos laminas β plegadas en forma de sándwich una sobre otra.

Modo de acción de las toxinas Cry

Es un proceso complejo que se desarrolla en varias etapas, este mecanismo implica al menos 7 pasos: 1) solubilizacion del cristal, 2) procesamiento de las protoxinas y activación, 3) unión al receptor, 4) inserción a la membrana, 5) agregación, 6) formación de poro y 7) lisis celular.

Las esporas de la bacteria que poseen la proteína con la toxina son colocadas sobre las hojas de los cultivos que se desean proteger, una vez que la larva se alimenta de la planta y los cristales paraesporales son ingeridos por el insecto, se solubilizan gracias al pH alcalino del intestino del insecto, liberándose así la proteína.

Las toxinas asociadas de Bt son cinco tipos:

1. Delta endotoxinas: Codificadas por los genes Cry I, II, III, y IV y se relacionan la actividad biológica de la toxina; Cry I para lepidópteros, Cry III específica para Coleópteros, Cry IV para dípteros, la activación se logra por el pH alcalino y proteasas en el intestino medio del insecto, por eso no es activada en el estómago de mamíferos por el pH acido, es susceptible al calor.

2. Beta exotoxina: No requiere activación y no es susceptible al calor.

3. Alfa exotoxinas: Básicamente son enzimas.

4. Toxina antibiótica bacteriana: Previene competencia con otras bacterias.

5. Toxina de factor piojo: Denominada así por mostrar actividad contra especies de Mallophaga.

Síntomas causados por las toxinas

Puede resumirse en los siguientes pasos: 1) cese de ingesta, 2) parálisis del intestino, 3) excreción de residuos (vómitos y diarrea), 4) parálisis total, y 6) la muerte.

La larva intoxicada presenta un color negro característico, debido a la necrosis de los tejidos.

Toxinas Cyt

Se encuentran formando parte principalmente de los cristales de cepas mosquitocidas de B. thuringiensis como svar. israelensis, kyushuensis, darmstadiensis, medellin, etc., también se pueden llegar a encontrar rara vez en alguna cepa tóxica para lepidópteros como svar. morrisoni HD-12 y 53, 54, 66. Estas proteínas son hemolíticas y citolíticas in vitro y son especialmente tóxicas para larvas de dípteros in vivo.

Ecología

B. thuringiensis se comporta como un patógeno especialista de insectos, el hábitat normal de esta especie es el suelo, y que el movimiento entre el suelo (considerado reservorio) y las partes aéreas de la planta, donde se encuentran sus hospederos susceptibles es una característica clave de su ecología.

Patotipos. Gran parte de los serotipos, variedades y cepas conocidas presentan un cristal bipiramidal, con cierta variación de tamaño y forma, éste cristal presenta toxicidad a una diversidad de larvas de lepidópteros, incluyendo a plagas agrícolas, llamado patotipo I.

Las cepas que presentan alta toxicidad hacia mosquitos y jejenes, presenta un cristal irregular en su forma, tiende a la esfericidad, llamado patotipo II. El patotipo III, su rango de actividad se restringe a unas pocas especies de coleópteros.

Serotipos. Existe una gran cantidad de cepas de BT aisladas de diversas partes del mundo, para diferenciar los diversos aislamientos, se ha establecido parámetros discriminando una cepa de otra, consiste en la serotificacion, se basa en la reacción cruzada de las proteínas flagelares de BT, contra los anticuerpos producidos a partir de las cepas.

Desarrollo de Resistencia a la d-endotoxina. Una de las ventajas de BT es la lentitud o incapacidad de las plagas a desarrollar resistencia a sus toxinas; sin embargo, se crece que se debe principalmente a que se degradan rápidamente en el medio, eliminándose la presión continua de selección, que es un factor para el desarrollo de resistencia hacia otro tipo de insecticidas. Subespecies de B. thuringiensis

Se ha investigado una gran variedad de subespecies de Bacillus thuringiensis que controlan diferentes especies de insectos plaga, varias cepas se han reproducido y comercializado a nivel industrial.

Bacillus thuringiensis var. Aizawai: controla diversos estadios larvales de plagas como gusanos de hoja en algodón, espárragos, leguminosa, gusano comedor en brócoli y cogollero (Spodoptera frugiperda) en maíz.

Bacillus thuringiensis var. israelensis: son bactérias esporangias, productoras de endotoxinas,controla Dípteros (mosquitos), especifica para larvas, como Psorophora confinnis, Aedes taeniorhynchus, Mansonia sp., y Simulidos.

Bacillus thuringiensis var. Kurstaqui: HD-1 utilizada para el control de insectos lepidópteros, plagas agrícolas y forestales, se caracteriza por la portación de los siguientes genes cry antilepidópteros: cry1Aa, cry1Ab, cry1Ac, cry2Aa, cry2Ab y cry1Ia. También es tóxico para 8 superfamilias: Sphingoidea (Sphingidae), Noctuidea (Noctuidae, Arctiidae), Notodontidea (Notodontidae), Yponomeutoidea (Plutellidae), Tortricoidea (Tortricidae), Pyraloidea (Pyralidae), Papilionoidea (Papilionidae, Pieridae, Nymphalidae) y Bombycoidea (Saturniidae).

Bacillus thuringiensis var. Tenebrionis: Para manejo de Coleópteros.

Bacillus sphaericus

Es una bacteria esporulante aerobia, ubicua, cosmopolita, con un esporangio terminal y una espora esférica, posee propiedades insecticidas, todas las cepas han sido agrupadas en 49 serotipos, basándose en ensayos de aglutinamiento del flagelo, la mayoría de las cepas no son entomopatogenas, solo 9 serotipos (H1,H2, H3, H4, H5, H6, H9, H25, H26, y H48) presentan toxicidad contra larvas de mosquitos de diferentes especies, las cepas toxicas producen dos tipos de toxinas; una es la toxina binaria, sintetizada durante la esporulación, una vez terminada la esporulación, el cristal se mantiene asociado a la endospora, después de la ingestión del cristal por la larva del mosquito, las proteínas son solubilizadas y activadas por las proteasas del intestino medio del insecto, dando como resultado péptidos, que son la forma mas activa de la toxina.

Estas proteínas se unen a un receptor, una α-glucosidasa en la microvellosidades del intestino medio, causando la lisis de las células del intestino medio después de la internalización, destruyendo y causando la muerte del insecto.

Control biológico

Proveen un excelente y efectivo control, usado en mosquitos vectores de importantes enfermedades humanas, incluyendo anophelinos vectores de la malaria, y culicinos vectores de filariasis, las cepas altamente toxicas pueden causar alta mortalidad en Culex spp., seguido por Anopheles spp., presenta toxicidad baja para Aedes spp., tiene acción larvicida de larga duración en ciertos ambientes.

Factores bióticos y abióticos

Se incluye la especie de mosquito, su estrategia de alimentación, la tasa de ingestión, la edad y la densidad de las larvas, factores relacionados con el hábitat (temperatura, radiación solar, profundidad de agua, turbidez, contenido orgánico, presencia de vegetación, etc.), y factores de las formulaciones (tipo de formulación, contenido de toxinas, que tan eficiente es el material alcanza al insecto), condiciones de almacenamiento, factores asociados a la producción, maneras de aplicación y frecuencia de los tratamientos.

Paenibacillus popilliae

Descrita como Bacillus popilliae, y luego transferida al género Paenibacillus, es una bacteria esporulante, gran-positiva.

Fases

1: Incubación en el intestino de las larvas (días 2), cuando pocas células bacterianas son encontradas en la hemolinfa.

2: Proliferación de células vegetativas (día 3 y día 5).

3: Penetración de las células vegetativas en el hemocele, significa que hay crecimiento bacteriano en la hemolinfa (día 5 a día 10).

4: Esporulación y muerte, liberando las esporas en el suelo (día 14 a día 21).

Control biológico

Es muy específica, solo ataca al insecto hospedador, dejando a los insectos benéficos sin daño alguno, controlador de la Polilla japónica.

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