Open 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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Bacillus thuringiensis Cyt proteins as enablers of activity of Cry and Tpp toxins against Aedes albopictus
(2023) Lai, Liliana; Villanueva, Maite; Muruzabal Galarza, Ane; Fernández González, Ana Beatriz; Unzue Pozas, Argiñe; Toledo Arana, Alejandro; Caballero Murillo, Primitivo; Caballero Sánchez, Carlos; Institute for Multidisciplinary Research in Applied Biology - IMAB
Aedes albopictus is a species of mosquito, originally from Southeast Asia, that belongs to the Culicidae family and the Dipteran insect order. The distribution of this vector has rapidly changed over the past decade, making most of the temperate territories in the world vulnerable to important human vector-borne diseases such as dengue, yellow fever, zika or chikungunya. Bacillus thuringiensis var. israeliensis (Bti)-based insecticides represent a realistic alternative to the most common synthetic insecticides for the control of mosquito larvae. However, several studies have revealed emerging resistances to the major Bti Crystal proteins such as Cry4Aa, Cry4Ba and Cry11Aa, making the finding of new toxins necessary to diminish the exposure to the same toxicity factors overtime. Here, we characterized the individual activity of Cyt1Aa, Cry4Aa, Cry4Ba and Cry11Aa against A. albopictus and found a new protein, Cyt1A-like, that increases the activity of Cry11Aa more than 20-fold. Additionally, we demonstrated that Cyt1A-like facilitates the activity three new Bti toxins: Cry53-like, Cry56A-like and Tpp36-like. All in all, these results provide alternatives to the currently available Bti products for the control of mosquito populations and position Cyt proteins as enablers of activity for otherwise non-active crystal proteins.
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Multifunctional properties of a bacillus thuringiensis strain (BST-122): beyond the parasporal crystal
(MDPI, 2022) Unzue Pozas, Argiñe; Caballero, Carlos J.; Villanueva, Maite; Fernández González, Ana Beatriz; Caballero Murillo, Primitivo; Institute for Multidisciplinary Research in Applied Biology - IMAB
Chemical products still represent the most common form of controlling crop pests and diseases. However, their extensive use has led to the selection of resistances. This makes the finding of new solutions paramount to countering the economic losses that pests and diseases represent in modern agriculture. Bacillus thuringiensis (Bt) is one of the most reliable alternatives to chemical-based solutions. In this study, we aimed to further expand the global applicability of Bt strains beyond their spores and crystals. To this end, we selected a new Bt strain (BST-122) with relevant toxicity factors and tested its activity against species belonging to different phyla. The spore and crystal mixture showed toxicity to coleopterans. Additionally, a novel Cry5-like protein proved active against the two-spotted spider mite. In vivo and plant assays revealed significant control of the parasitic nematode, Meloidogyne incognita. Surprisingly, our data indicated that the nematocidal determinants may be secreted. When evaluated against phytopathogenic fungi, the strain seemed to decelerate their growth. Overall, our research has highlighted the potential of Bt strains, expanding their use beyond the confinements of spores and crystals. However, further studies are required to pinpoint the factors responsible for the wide host range properties of the BST-122 strain.

Unzue Pozas, Argiñe

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