Tesis doctorales DABA - ABES Doktoretza tesiak

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http://hdl.handle.net/2454/29453

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Browsing Tesis doctorales DABA - ABES Doktoretza tesiak by Subject "Bacillus thuringiensis"

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    PublicationOpen Access
    Identification and quantification of crystal components of Bacillus thuringiensis strains and their contribution to insecticidal activity
    (2019) Caballero Sánchez, Javier; Caballero Murillo, Primitivo; Ancín Azpilicueta, Carmen; Jiménez Moreno, Nerea; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Ciencias; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura; Zientziak
    El principal objetivo de esta tesis ha sido desarrollar un método proteómico que permite analizar cualitativa y cuantitativamente las proteínas que componen el cristal producido por distintas cepas silvestres de Bt. El método emplea un sistema de cromatografía líquida acoplada a un espectro de masas (LC-MS/MS) en combinación con una monitorización de múltiples reacciones (MRM). Para llevar a cabo el análisis, es necesario conocer la secuencia del genoma de la cepa Bt para determinar los potenciales genes insecticidas que podrían formar parte del cristal parasporal. El uso de herramientas bioinformáticas permite la selección de péptidos proteotípicos que detectan de forma específica la presencia de cada una de las proteínas de la mezcla. Estos péptidos proteotípicos, marcados isotópicamente, permiten determinar la proporción relativa de cada proteína en el cristal. El método fue validado utilizando dos mezclas artificiales de tres proteínas recombinantes (Cry1Aa, Cry2Aa y Cry6Aa), donde la proporción relativa de cada proteína era conocida. La aplicación del método permitió detectar las tres proteínas de forma independiente y cuantificar la proporción relativa de cada una de ellas con gran fiabilidad y precisión. Una vez verificada su validez, el método fue aplicado para determinar la composición del cristal de cuatro cepas Bt silvestres que component el ingrediente activo de los productos comerciales más vendidos a nivel mundial para el control de distintos órdenes de insecto: DiPel® y XenTari® para lepidópteros, VectoBac® para dípteros, y Novodor® para coleópteros. El cristal parasporal de la cepa ser. kurstaki ABTS-351 (DiPel®) resultó estar compuesto por cuatro proteínas: Cry1Aa (13-22%), Cry1Ab (16-29%), Cry1Ac (6-12%) y Cry2Aa (40-64%); al igual que la cepa ser. aizawai ABTS-1857 (XenTari®) Cry1Aa (26-33%), Cry1Ab (57-60%), Cry1Ca (7-11%) y Cry1Da (3-4%). La cepa AM65-52 (VectoBac®) sintetizó un cristal formado por Cry4Aa (2-4%), Cry4Ba (10-28%), Cry11Aa (10-27%), Cry60Aa (2-4%), Cry60Ba (5-12%) y Cyt1Aa (38-61%) y el ingrediente activo de Novodor®, la cepa ser. tenebrionis NB-176, contenía Cry3Aa (70-75%), Cry23Aa (14-16%) y Cry37Aa (10-14%). Adicionalmente, se determinó la actividad de la cepa ABTS-1857 en larvas de tres especies del género Spodoptera: S. exigua, S. littoralis y S. frugiperda. S. exigua fue la especie más susceptible (CL50= 7.8 ng/μl), seguida de S. littoralis (CL50= 28 ng/μl). S. frugiperda se mostró como la especie más tolerante (CL50= 120.2 ng/μl). Para determinar la contribución de cada proteína individual a la toxicidad general de la cepa ABTS-1857 contra cada una de las tres especies de insectos, se construyeron cepas Bt recombinantes que producían individualmente las proteínas Cry1Aa, Cry1Ab, Cry1Ca y Cry1Da. Los resultados de los bioensayos, utilizando el “droplet feeding method”, revelarón una elevada toxicidad de Cry1Ca para las larvas de S. exigua y S. littoralis y de Cry1Da frente a S. littoralis y S. frugiperda. Las mezclas artificiales de dos o tres proteínas produjeron mortalidades atribuibles a la cantidad de Cry1Ca, en el caso de S. exigua, de Cry1Ca y Cry1Da, en el caso de S. littoralis, y de Cry1Da en el caso de S. frugiperda. La mezcla artificial de cuatro proteínas, que reflejaba la composición natural del cristal, dio valores de actividad concordantes con los producidos por el cristal natural de la cepa ABTS-1857. Aumentos de la proteína Cry1Da, en detrimento de las proteías Cry1Aa y Cry1Ab, produjo incrementos en la actividad insecticida para larvas de S. littoralis y S. frugiperda. Estos resultados indicaron que la metodología empleada para el análisis de los cristales es válida para su empleo en la caracterización y estandarización de los productos comerciales basados en Bt, aportando la información necesaria para expresar su potencia insecticida.
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    PublicationOpen Access
    Multifunctional analysis of new Bacillus thuringiensis strains and their potential as pest control agents
    (2023) Unzue Pozas, Argiñe; Caballero Murillo, Primitivo; Caballero Sánchez, Carlos; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura
    El uso de plaguicidas químicos ha sido la práctica más extendida para el control de plagas en agricultura en los últimos 80 años. Sin embargo, estos tipos de insecticidas han experimentado fuertes medidas regulatorias que limitan su uso debido a su falta de bioseguridad. Por lo tanto, nunca ha sido mayor la necesidad de alternativas seguras, sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. Bioinsecticidas, y más específicamente, soluciones basadas en Bacillus thuringiensis (Bt) han conseguido popularidad en los programas de Manejo Integrado de Plagas (MIP) debido a sus propiedades biocidas, adaptabilidad, y sobre todo seguridad. Bt es una bacteria Gram-positiva que forma espora de Resistencia durante la fase estacionaria de crecimiento y un cristal parasporal compuesto de d-endotoxinas (entre otras, proteínas Cry y Cyt) con actividad insecticida. Bt es el agente entomopatógeno más empleado comúnmente para control de plagas en campo y su uso es compatible con otros métodos de control. El principal propósito de esta tesis era el estudio de diversidad de cepas y el potencial pesticida de cepas de Bt de tres colecciones. Cada colección comprendía cepas aisladas de un hábitat específico, siendo granjas avícolas localizadas en el sur de los Pirineos, dehesas de Extremadura y áreas no cultivadas de diversas regiones del mundo. Se aislaron un total de 294 cepas y agrupadas en 44 grupos o perfiles basados en su contenido de genes plaguicidas. Los tres hábitats mostraron una diversidad de genes plaguicidas moderado y no se encontró una correlación directa entre genes específicos y hábitat. Sin embargo, algunos genes fueron más frecuentes en ciertos ambientes. Por ejemplo, a pesar de que los genes cry1, cry2, y cry9 estaban presentes en los tres hábitats, cry1 y cry2 eran relativamente más abundantes en áreas no cultivadas. El potencial de propiedades pesticidas de los 44 diferentes perfiles fueron caracterizados in silico basado en la bibliografía disponible y se encontró que los perfiles más frecuentes pertenecían a cepas con el potencial de controlar especies de lepidópteros (conteniendo genes cry1, cry2 y cry9) para todos los hábitats estudiados. Estos fueron seguidos por potenciales cepas nematicidas (con genes parecidos a cry5 y app6), que fueron también identificados en todos los hábitats estudiados. Cepas con hipotética actividad contra coleópteros (genes cry3 y genes cry8 y similares) y dípteros (cry4, cry10, cry11 y cyt) fueron encontrados solamente en granjas y dehesas. La caracterización in silico fue posteriormente verificada in vivo, probando a una única concentración (10 µg/ml) de esporas y cristales de cada perfil contra especies representativas de órdenes de insectos de lepidópteros (Spodoptera littoralis y Helicoverpa armigera), dípteros (Aedes albopictus) y coleópteros (Leptinotarsa decemlineata). De modo interesante, algunos de los perfiles de lepidópteros activos identificados en este estudio contenían combinaciones de genes diferentes (cry1C, cry1D, cry1E, cry2A, xpp22-similar) a la mayoría de las cepas encontradas como productos comerciales ampliamente utilizados (DiPel® y Xentari®). Ensayos realizados contra mosquitos y coleópteros también aportaron resultados prometedores de grupos que contenían genes plaguicidas diferentes a los más comúnmente utilizados por soluciones de Bt (p. ej. Vectobac® y Novodor®, respectivamente). Hoy en día, la mayoría de los productos del mercado basados en Bt están destinados al control de plagas de lepidópteros, coleópteros y dípteros. Sin embargo, otras plagas de gran importancia en agricultura quedan a menudo fuera del alcance de dichas soluciones. Algunos ejemplos de esto son ácaros, nematodos y hongos. Uno de los objetivos de esta tesis fue abordar las propiedades multifuncionales de una cepa de Bt (de las colecciones construidas) con el potencial de controlar varias plagas, incluidas aquellas para las que las soluciones de Bt actuales no ofrecen cobertura. Teniendo esto en cuenta, se seleccionó la cepa candidata BST-122, que presentaba un interesante contenido génico plaguicida. Para evaluar el potencial multifuncional de BST-122, se realizaron bioensayos contra el escarabajo de la patata (L. decemlineata), para el cual las esporas y cristales produjeron una mortalidad significativa. Además, una proteína similar a Cry5 producida por la cepa resultó tóxica contra el complejo ácaro fitófago Tetranychus urticae cuando se administró en altas concentraciones. Cuando se evaluó contra los nematodos fitoparásitos Meloidogyne incognita en ensayos en planta, los factores secretados de la cepa produjeron una reducción significante de las agallas en las raíces de las plantas de pepino. Finalmente, BST-122 produjo una considerable deceleración del crecimiento en dos serovares diferentes de Fusarium oxysporum (lycopersici y meloni) y Verticillium dahliae en condiciones in vitro. En definitiva, esta tesis proporciona información sobre la diversidad de cepas silvestres de Bt que pertenecen a diferentes hábitats y su potencial para controlar diferentes organismos plaga. Además, se muestran las propiedades multifuncionales de una cepa Bt, enfatizando la importancia de nuevas proteínas y factores secretados para expandir el uso de soluciones de Bt más allá de los confinamientos de los órdenes de insectos de lepidópteros, coleópteros y dípteros e incluir otros organismos plaga de importancia económica.
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    PublicationEmbargo
    New functions for Cyt proteins and sporulation determinants in Bacillus thuringiensis
    (2023) Lai, Liliana; Caballero Murillo, Primitivo; Caballero Sánchez, Carlos; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura
    En este estudio, primero nos centramos a encontrar nuevas proteínas insecticidas y factores sinérgicos con actividad contra larvas de A. albopictus. Nuestro primer objetivo, fue caracterizar la actividad individual de las proteínas del cristal Cyt1Aa, Cry4Aa, Cry4Ba y Cry11Aa contra A. albopictus y encontrar nuevas proteínas que contribuyesen a diversificar los ingredientes activos basados en Bt actualmente disponibles. Uno de nuestros resultados nos permitió encontrar y caracterizar una nueva proteína Cyt1A-like, que aumentaba la actividad de Cry11Aa más de 10 veces y activaba a tres proteínas nuevas Cry53-like, Cry56Alike y Tpp36-like que no eran tóxicas por sí solas. Estos resultados posicionaron a las proteínas Cyt como facilitadores de la actividad de proteínas cristalinas que, de otro modo, no resultaban tóxicas. Como segundo objetivo, nos centramos en comprender el vínculo entre la esporulación y la formación de cristales en Bt. En la literatura, se describe extensamente cómo se acoplan ambos procesos están estrechamente relacionados. Sin embargo, la mayoría de dichos estudios suelen girar en torno a reguladores generales de la esporulación que, además, son críticos para la expresión de proteínas cristalinas. En este caso, nuestro objetivo fue encontrar determinantes de esporulación que fueran críticos para la generación de las esporas, pero prescindibles para la formación de los cristales. A través de una estrategia de mutagénesis aleatoria, descubrimos un gen esencial para la esporulación, spoIIIAA, que no afectaba a la producción del cristal. El transcriptoma del mutante spoIIIAA reveló que varios genes de la esporulación, así como una hidrolasa de la pared celular se encontraban afectados en su expresión. Además, varios factores de virulencia se encontraron sobre expresados, sin embargo, los genes de la proteína cristalina mantuvieron sus niveles de expresión sin cambios. Finalmente, reproducimos la misma mutación, mediante mutagénesis dirigida, en la cepa AM 65-52. Tanto la cepa parental como el mutante asporígeno derivado conservaron la capacidad de producir cristales activos contra las larvas de Aedes aegypti y A. albopictus. En resumen, en este trabajo proporcionamos nuevos conocimientos sobre las proteínas del cristal con actividad frente a mosquitos, especialmente las proteínas Cyt y su capacidad para habilitar la actividad de proteínas que, de otro modo, no serían tóxicas. Análogamente, se presentan resultados que posicionan a SpoIIIAA como un regulador crítico de la esporulación que no afecta a la expresión de las proteínas cristalinas.
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    PublicationOpen Access
    Novel Bacillus thuringiensis cry genes and their insecticidal potency against Coleoptera
    (2020) Domínguez Arrizabalaga, Mikel; Caballero Murillo, Primitivo; Villanueva San Martín, Maite; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
    Bacillus thuringiensis (Bt) se distingue de otras bacterias del género Bacillus por su capacidad de sintetizar d-endotoxinas (Cry y Cyt) que característicamente se agregan formando uno o más cristales paraesporales. Todas estas proteínas han sido clasificadas en distintas familias las cuales tienen actividad contra insectos de distintos órdenes, incluido el orden Coleoptera. En esta tesis doctoral se ha realizado una revisión actualizada de todas las proteínas insecticidas, que produce Bt, para las cuales se ha descrito actividad contra especies del orden Coleoptera. El objetivo de la tesis ha sido realizar una búsqueda de nuevos genes cry con la finalidad de aumentar la batería de toxinas Bt disponibles para el control de las plagas causadas por coleópteros. Dicha búsqueda se ha centrado en dos cepas Bt, seleccionadas en un screening previo, para lo cual se abordó la secuenciación masiva del DNA genómico de cada una de ellas. El contenido génico de la cepa BM311.1 reveló la presencia un gen nuevo cry7 que codificaba para una proteína que se denominó Cry7Aa2 por compartir una identidad del 98% con la proteína Cry7Aa1 previamente descrita. A pesar de esta elevada identidad, estas dos proteínas mostraron diferencias en su actividad contra larvas de Leptinotarsa decemlineata. Mientras que la proteína Cry7Aa1 solo es tóxica cuando el cristal ha sido previamente solubilizado in vitro, la proteína Cry7Aa2 es tóxica directamente tras ser ingerida en forma de cristal. Esto representa una clara ventaja práctica de Cry7Aa2, con vistas a su utilización como bioinsecticida, mientras que ambas son igualmente útiles para la obtención de plantas transgénicas resistentes frente a L. decemlineata. Los resultados de este trabajo son científicamente relevantes y pueden ser utilizados para el diseño de nuevas estrategias para el control de plagas de insectos, ya sea creando nuevos bioinsecticidas o construyendo nuevas plantas transgénicas.