Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis
Systematik
Abteilung: Firmicutes
Klasse: Bacilli
Ordnung: Bacillales
Familie: Bacillaceae
Gattung: Bacillus
Art: Bacillus thuringiensis
Wissenschaftlicher Name
Bacillus thuringiensis
Berliner, 1915

Bacillus thuringiensis ist ein Bakterium, das vor allem im Boden, aber auch an Pflanzen und in Insektenkadavern gefunden werden kann. Die von dem Bakterium produzierten so genannten Bt-Toxine werden zur Biologischen Schädlingsbekämpfung in der Land- und Forstwirtschaft und in der Bekämpfung von krankheitsübertragenden Stechmücken eingesetzt.

Beschreibung

Bacillus thuringiensis ist wie die anderen Arten der Gattung Bacillus stäbchenförmig und grampositiv. Er bildet Dauerstadien in Form von Sporen. Es wurde 1901 in Japan durch Ishiwatari Shigetane (jap. 石渡 繁胤) als Bacillus sotto und 1911 von Ernst Berliner (1880–1957) in Deutschland beschrieben, der ihm den Namen Bacillus thuringiensis gab. Ishiwatari Shigetane fand den Bacillus in Seidenraupen, Ernst Berliner entdeckte ihn in Mehlmottenraupen aus einer Mühle in Thüringen. Er erkannte auch, dass dieses Bakterium bei Mehlmottenlarven die sogenannte Schlaffsucht auslöst.[1] Die verschiedenen Unterarten von B. thuringiensis produzieren über 200 unterschiedliche sogenannte Bt-Toxine, die spezifisch bei bestimmten Insekten tödlich wirken.
B. thuringiensis lebt in Gesellschaft mit Pflanzenwurzeln. Es wird davon ausgegangen, dass die Toxine des Bacteriums die Wurzeln vor Schädigung durch Insekten bewahren.[2]

B. thuringiensis ist eng verwandt mit Bacillus cereus und unterscheidet sich von diesem Bakterium nur – wie auch Bacillus anthracis – durch sogenannte Plasmide. Wie alle anderen Bacillus-Arten sind sie aerob und bilden Endosporen.

Bt-Toxin

Kristalle des Bt-Toxins

B. thuringiensis produziert kristalline Proteine (Bt-Toxine, siehe Abbildung), die spezifisch auf verschiedene Insektenarten der Ordnungen Käfer, Schmetterlinge, Hautflügler und Zweiflügler sowie Nematoden toxisch wirken, bei Pflanzen, Wirbeltieren und Menschen jedoch wirkungslos sind. Sie sind vollständig biologisch abbaubar.[3]

Die genetische Information für die Bt-Toxine liegen auf Plasmiden. Je nach Stamm exprimieren diese ein oder mehrere verschiedene sogenannte Cry- und Cyt-Proteine, die sich hinsichtlich ihrer Toxizität gegenüber den verschiedenen Insektenordnungen unterscheiden. Es gibt mehr als 200 verschiedene Cry-Proteine. Diese toxischen Kristallproteine müssen zunächst im Insektendarm gelöst und durch eine spezifische enzymatische Abspaltung von Untereinheiten aktiviert werden, bevor sie ihre Wirkung entfalten können. Die Menge und Art der Proteine variiert hierbei von Stamm zu Stamm. Cyt- und Cry-Proteine heften sich an Darmzellen an und erzeugen Poren in der Zellmembran, wodurch die Darmzelle zerstört wird. Damit dies geschehen kann, müssen die jeweiligen Toxine spezifische Anheftungsstellen auf der Zellmembran vorfinden, woraus sich ihre spezifische Wirkung gegen bestimmte Insekten erklärt.[3]

Anwendungen

Bt-Toxine werden in Land- und Forstwirtschaft als Pflanzenschutzmittel und zur Stechmückenbekämpfung eingesetzt.

Landwirtschaft

In der Landwirtschaft werden Bt-Toxine seit 1938 eingesetzt, haben in dieser Form jedoch keine große Bedeutung erlangt. Hingegen wuchsen die Anbauflächen von Bt-Pflanzen seit ihrer Erstzulassung im Jahr 1996 rapide.

Bt-Suspensionen

Insbesondere in der ökologischen Landwirtschaft werden Bt-Toxine in Form von Suspensionen gegen freifressende Schmetterlingsraupen eingesetzt. Dieses Mittel wird in Frankreich seit 1938, in den USA seit 1950 eingesetzt. Heute werden verschiedene Bt-Toxine gegen verschiedene Insekten eingesetzt.

B. thuringiensis israelensis wird in der Stechmückenbekämpfung eingesetzt. Die Stechmücken werden im Larvenstadium in den Gewässern bekämpft. Die Auswirkungen auf andere Insektenlarven, beispielsweise Zuckmücken sind gering.

Eine genetische Variante dieser Unterart wurde in den USA patentiert.[4] Andere eingesetzte Unterarten sind B. thuringiensis kurstaki, B. thuringiensis aizawa, B. thuringiensis san diego, und B. thuringiensis tenebrionis. Wie bei anderen Pflanzenschutzmitteln können nach mehr oder weniger langem Gebrauch die Zielorganismen Resistenzen entwickeln. Gegenüber Bt-Toxinen wurde dies zuerst Ende der 1980er Jahre bei der Kohlschabe beobachtet.[5]

Bt-Pflanzen

Hauptartikel: Grüne Gentechnik, transgene Baumwolle, transgener Mais

Aus Bacillus thuringiensis in Nutzpflanzen übertragene Gene bewirken, dass die Pflanzen eigenständig Bt-Toxine produzieren. Dieses sogenannte Bt-Konzept wird seit 1996 und vor allem bei Mais und Baumwolle eingesetzt.

Forstwirtschaft

Eine der bisher erfolgreichsten Anwendungen von Bt-Toxinen ist die Bekämpfung von Forstschädlingen der Ordnung Schmetterlinge, welche insbesondere in nordamerikanischen Nadelwäldern große Schäden anrichten. Die Verwendung von Bt-Toxinen führte zu einer signifikanten Reduktion der Anwendung chemischer Insektizide in der Forstwirtschaft.[3]

Bekämpfung von Stechmücken

Bt-Toxine der Unterart B. thuringiensis israelensis sind für verschiedene Arten der Gattungen Aedes, Culex und Anopheles, die Krankheitsüberträger sind, toxisch. Insbesondere lassen sich so Populationen von Überträgern von Krankheiten wie Denguefieber, Onchozerkose und Malaria dezimieren. Seit 1983 wird in Westafrika ein Programm zur Bekämpfung der Onchozerkose implementiert, das zu 80 % auf der Verwendung von Bt-Toxinen basiert. So wurden geschätzte 15 Millionen Kinder vor der Krankheit geschützt. Bei Stechmücken wurde bisher keine Resistenzbildung dokumentiert.[3]

Verwandtschaft mit Bacillus cereus

Im Jahr 2000 haben Wissenschaftler im Fachjournal Applied and Environmental Microbiology dargelegt, dass es sich beim alternativen Pflanzenschutzbakterium Bacillus thuringiensis, dem Milzbranderreger Bacillus anthracis und dem Lebensmittel vergiftenden Bacillus cereus um die Variationen einer einzigen Spezies handelt. Die Keime von Bacillus cereus bilden ein hämolytisches und ein nichthämolytisches Enterotoxin, sowie Cytotoxin K, (ein enterotoxisches Protein). Dieses Bakteriengift kann beim Menschen nicht nur erhebliche Durchfälle hervorrufen, sondern auch zu Todesfällen führen.

2001 wurde daher Bacillus cereus IP 5832 als Probiotikum in der Tierernährung verboten, weil nach Meinung des wissenschaftlichen Ausschusses für Futtermittel der EU - Kommission (SCAN / Scientific Committee of Animal Nutrition) von dem Bakterienstamm ein potentielles Risiko für den Verbraucher ausgeht.

Literatur

  • Erlendur Helgason, Ole Andreas Økstad, Dominique A. Caugant, Henning A. Johansen, Agnes Fouet, Michéle Mock, Ida Hegna und Anne-Brit Kolstø: Bacillus anthracis, Bacillus cereus, and Bacillus thuringiensis - One Species on the Basis of Genetic Evidence. In: Applied and Environmental Microbiology. Bd. 66, Nr. 6, 2000, S. 2627-2630.
  • Kristine Frederiksen, Hanne Rosenquist, Kirsten Jørgensen und Andrea Wilcks: Occurrence of Natural Bacillus thuringiensis Contaminants and Residues of Bacillus thuringiensis-Based Insecticides on Fresh Fruits and Vegetables. In: Applied and Environmental Microbiology. Bd. 72, Nr. 5, 2006, S. 3435-3440.
  • Jörg Romeis, Michael Meissle und Franz Bigler: Transgenic crops expressing Bacillus thuringiensis toxins and biological control. In: Nature Biotechnology. Bd. 24, Nr. 1, 2006, S. 63-71.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Renate Kaiser-Alexnat: Bacillus thuringensis (PDF, deutsch)
  2. Murray W. Nabors: Botanik. Pearson Studium, ISBN 978-3-8273-7231-4, S. 354f.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Bravo A, Gill S, Soberón M (2007). "Mode of action of Bacillus thuringiensis Cry and Cyt toxins and their potential for insect control". Toxicon 49 (4): 423-35. doi:10.1016/j.toxicon.2006.11.022. PMID 17198720
  4. Patent für Bacillus thuringiensis subspecies Israelensis strain EG2215
  5. Tabashnik et al: Diamondback Moth Resistance to Bacillus thuringiensis in Hawaii (PDF, englisch)

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