Frequency of cry-like genes in Bacillus thuringiensis strains of the Crimean microorganism collection

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The entomopathogenic strains of Bacillus thuringiensis are used in the development of new-generation biopreparations against leaf-eating insects. The present study was aimed at analyzing the frequency of cry-like genes in the strains and at identifying a promising strain for the development of an entomopathogenic biopreparation on its basis. The study materials included the entomopathogenic strains of Bacillus thuringiensis obtained from the Crimean microorganism collection of the Crimean Agricultural Research Institute. The entomopathogenic effect of promising strains was studied in laboratory experiments on Coleoptera and Lepidoptera larvae. The following strains of Bacillus thuringiensis were identified as the most promising, i.e., containing at least four toxin genes: 708 (cry1, thuE, cry7-8, cry11), 942 (cry1, thuE, cry11, vip), 949 (cry1, thuE, cry4, cry7-8), 989 (cry1, thuE, cry11, vip), 0162 (cry1, thuE, cry11, vip), 0307 (cry1, thuE, cry4, cry7-8), 0308 (cry1, thuE, cry4, cry7-8), 0363 (cry1, thuE, cry5, cry11) и 0371 (cry1, thuE, cry9, cry11). The isolated strains of Bacillus thuringiensis 0162, 0307, 0363, and 0371 were found to have a high entomopathogenic effect on the larvae of the Colorado potato beetle and elm-leaf beetle (88.3–100%), as well as the caterpillars of ermine moth, cabbage moth, brown-tail moth, and fall webworm (92.3–100%). It is shown that Bacillus thuringiensis strain 0371 goes through all traditional stages of development and exhibits complete release of crystals and spores from the sporangium within 45–48 h. Thus, strain 0371 can be used to develop specifications for manufacturing a plant protection biopreparation.

About the authors

A. V. Kryzhko

Research Institute of Agriculture of Crimea

Email: nk_lib@mail.ru

References

  1. Arthurs S., Dara S.K. Microbial biopesticides for invertebrate pests and their markets in the United States // Journal of Invertebrate Pathology. 2019. Vol. 165. P. 13–21. doi: 10.1016/j.jip.2018.01.008.
  2. Jouzani G.S., Valijanian E., Sharafi R. Bacillus thuringiensis: a successful insecticide with new environmental features and tidings // Applied Microbiology and Biotechnology. 2017. Vol. 101. P. 2691–2711. doi: 10.1007/s00253-017-8175-y.
  3. Duarte Neto J.M.W., Wanderley M.C.A., da Silva T.A.F., Marques D.A.V., da Silva G.R., Gurgel J.F., et al. Bacillus thuringiensis endotoxin production: a systematic review of the past 10 years // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2020. Vol. 36. P. 128. doi: 10.1007/s11274-020-02904-4.
  4. Jo H., Tagele S.B., Pham H.Q., Kim M.-C., Choi S.-D., Kim M.-J., et al. Response of soil bacterial community and pepper plant growth to application of Bacillus thuringiensis KNU-07 // Agronomy. 2020. Vol. 10, no. 4. P. 551. doi: 10.3390/agronomy10040551.
  5. Perez M.P., Sauka D.H., Onco M.I., Berretta M.F., Benintende G.B. Selection of Bacillus thuringiensis strains toxic to cotton boll weevil (Anthonomus grandis, Coleoptera: Curculionidae) larvae // Revista Argentina de Microbiología. 2017. Vol. 49, no. 3. P. 264–272. doi: 10.1016/j.ram.2016.12.010.
  6. Soleymani S., Sarrafzadeh M.-H., Mostoufi N. Modeling of fermentation process of Bacillus thuringiensis as a sporulating bacterium // Chemical Product and Process Modeling. 2019. Vol. 14, no. 2. P. 2018000. doi: 10.1515/cppm-2018-0007.
  7. Guttmann D.M., Ellar D.J. Phenotypic and genotypic comparisons of 23 strains from the Bacillus cereus complex for a selection of known and putative B. thuringiensis virulence factors // FEMS Microbiology Letters. 2000. Vol. 188, no. 1. P. 7–13. doi: 10.1111/j.1574-6968.2000.tb09160.x.
  8. Hansen B.M., Hendriksen N.B. Detection of enterotoxic Bacillus cereus and Bacillus thuringiensis strains by PCR analysis // Applied and Environmental Microbiology. 2001. Vol. 67, no. 1. P.185–189. doi: 10.1128/AEM.67.1.185-189.2001.
  9. Palma L., Muñoz D., Berry C., Murillo J., Caballero P. Bacillus thuringiensis toxins: an overview of their biocidal activity // Toxins (Basel). 2014. Vol. 6, no. 12. P. 3296–3325. doi: 10.3390/toxins6123296.
  10. Fang Y., Li Z., Liu J., Shu C., Wang X., Zhang X., et al. A pangenomic study of Bacillus thuringiensis // Journal of Genetics and Genomics. 2011. Vol. 38, no. 12. P. 567–576. doi: 10.1016/j.jgg.2011.11.001.
  11. Lee M.K., Walters F.S., Hart H., Palekar N., Chen J.-S. The mode of action of the Bacillus thuringiensis vegetative insecticidal protein Vip3A differs from that of Cry1Ab delta-endotoxin // Applied and Environmental Microbiology. 2003. Vol. 69, no. 8. P. 4648–4657. doi: 10.1128/AEM.69.8.4648-4657.2003.
  12. Sena J.A., Hernández-Rodríguez C.S., Ferré J. Interaction of Bacillus thuringiensis Cry1 and Vip3A proteins with Spodoptera frugiperda midgut binding sites // Applied and Environmental Microbiology. 2009. Vol. 75, no. 7. P. 2236–2237. doi: 10.1128/AEM.02342-08.
  13. Bravo A., Likitvivatanavong S., Gill S.S., Soberón M. Bacillus thuringiensis: a story of a successful bioinsecticide // Insect Biochemistry and Molecular Biology. 2011. Vol. 41, no. 7. P. 423–431. doi: 10.1016/j.ibmb.2011.02.006.
  14. Crickmore N., Zeigler D.R., Schnepf E., Van Rie J., Lereclus D., Baum J., et al. Revision of the nomenclature for the Bacillus thuringiensis pesticidal crystal proteins // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1998. Vol. 62, no. 3. P. 807–813. doi: 10.1128/MMBR.62.3.807-813.1998.
  15. Van Frankenhuyzen K. Cross-order and cross-phylum activity of Bacillus thuringiensis pesticidal proteins // Journal of Invertebrate Pathology. 2013. Vol. 114, no. 1. P. 76–85. doi: 10.1016/j.jip.2013.05.010.
  16. Ben-Dov E. Bacillus thuringiensis subsp. israelensis and its dipteran-specific toxins // Toxins (Basel). 2014. Vol. 6, no. 4. P. 1222–1243. doi: 10.3390/toxins6041222.
  17. De Maagd R.A., Bravo A., Berry C., Crickmore N., Schnepf H.E. Structure, diversity, and evolution of protein toxins from spore-forming entomopathogenic bacteria // Annual Review of Genetics. 2003. Vol. 37. P. 409–433. doi: 10.1146/annurev.genet.37.110801.143042.
  18. Chougule N.P., Bonning B.C. Toxins for transgenic resistance to hemipteran pests // Toxins (Basel). 2012. Vol. 4, no. 6. P. 405–429. doi: 10.3390/toxins4060405.
  19. Ohba M., Mizuki E., Uemori A. Parasporin, a new anticancer protein group from Bacillus thuringiensis // Anticancer Research. 2009. Vol. 29, no. 1. P. 427– 433.
  20. Zheng J., Gao Q., Liu L, Liu H., Wang Y., Peng D., et al. Comparative genomics of Bacillus thuringiensis reveals a path to specialized exploitation of multiple invertebrate hosts // mBio. 2017. Vol. 8, no. 4. P. e00822-17. doi: 10.1128/mBio.00822-17.
  21. Ye J., Coulouris G., Zaretskaya I., Cutcutache I., Rozen S., Madden T.L. Primer–BLAST: a tool to design target-specific primers for polymerase chain reaction // BMC Bioinfomatics. 2012. Vol. 13. P. 134. doi: 10.1186/1471-2105-13-134.
  22. Franco-Rivera A., Benintende G., Cozzi J., Baizabal-Aguirre V.M., Valdez-Alarcón J.J., López-Meza J.E. Molecular characterization of Bacillus thuringiensis strains from Argentina // Antonie Van Leeuwenhoek. 2004. Vol. 86, no. 1. P. 87–92. doi: 10.1023/B:ANTO.0000024913.94410.05.
  23. Willumsen P.A., Johansen J.E., Karlson U. Isolation and taxonomic affiliation of N-heterocyclicaromatic hydrocarbon-transforming bacteria // Applied Microbiology and Biotechnology. 2005. Vol. 67, no. 3. P. 420–428. doi: 10.1007/s00253-004-1799-8.
  24. Bravo A., Sarabia S., Lopez L., Ontiveros H., Abarca C., Ortiz A., et al. Characterization of cry genes in a Mexican Bacillus thuringiensis strain collection // Applied and Environmental Microbiology. 1998. Vol. 64, no. 12. P. 4965–4972. doi: 10.1128/AEM.64.12.4965-4972.1998.
  25. Jain D., Sunda S.D., Sanadhya S., Nath D.J., Khandelwal S.K. Molecular characterization and PCRbased screening of cry genes from Bacillus thuringiensis strains // 3 Biotech. 2017. Vol. 7, no. 1. P. 4. doi: 10.1007/s13205-016-0583-7.
  26. PCR primer design / ed. A. Yuryev. Totowa: Humana Press, 2007. 431 p.
  27. Хайлафян А.А. Современные статистические методы медицинских исследований: монография. М.: Ленанд, 2014. 320 с.
  28. Natingga D. Data science algorithms in a week. Birmingham – Mumbai: Packt Publishing, 2018. 214 p.
  29. Galea A. Applied data science with Python and Jupyter. Birmingham – Mumbai: Packt Publishing, 2018. 174 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».