The impact of secondary pests on Bacillus thuringiensis (Bt) crops

The intensification of agriculture and the development of synthetic insecticides enabled worldwide grain production to more than double in the last third of the 20th century. However, the heavy dependence and, in some cases, overuse of insecticides has been responsible for negative environmental and ecological impacts across the globe, such as a reduction in biodiversity, insect resistance to pesticides, negative effects on nontarget species (e.g. natural enemies) and the development of secondary pests. The use of recombinant DNA technology to develop genetically engineered (GE) insect resistant crops could mitigate many of the negative side effects of pesticides. One such genetic alteration enables crops to express toxic crystalline (Cry) proteins from the soil bacteria Bacillus thuringiensis (Bt). Despite the widespread adoption of Bt crops, there are still a range of unanswered questions concerning longer term agro-ecosystem interactions. For instance, insect species that are not susceptible to the expressed toxin can develop into secondary pests and cause significant damage to the crop. Here we review the main causes surrounding secondary pest dynamics in Bt crops and the impact of such outbreaks. Regardless of the causes, if non-susceptible secondary pest populations exceed economic thresholds, insecticide spraying could become the immediate solution at farmers’ disposal, and the sustainable use of this genetic modification technology may be in jeopardy. Based on the literature, recommendations for future research are outlined that will help to improve the knowledge of the possible longterm ecological trophic interactions of employing this technology.

Bacillus coagulans GBI-30, 6086 modulates Faecalibacterium prausnitzii in older men and women

Abstract Background: Advancing age is linked to a decrease in beneficial bacteria such as Bifidobacterium spp. and reduced aspects of innate immune function. Objectives: We investigated whether daily consumption of a probiotic [Bacillus coagulans GBI-30, 6086 (BC30); GanedenBC30] could improve immune function and gut function in men and women aged 65–80 y, using a double-blind, placebo-controlled crossover design. Method: Thirty-six volunteers were recruited and randomly assigned to receive either a placebo (microcrystalline cellulose) or the probiotic BC30 (1 3 109 colony-forming units/capsule). Volunteers consumed 1 treatment capsule per day for 28 d, followed by a 21-d washout period before switching to the other treatment. Blood and fecal samples were collected at the beginning and end of each treatment period. Fecal samples were used to enumerate bacterial groups and concentrations of calprotectin. Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were extracted from whole blood to assess natural killer cell activity and lipopolysaccharide (LPS)-stimulated cytokine production. C-reactive protein concentrations were measured in plasma. Results: Consumption of BC30 significantly increased populations of Faecalibacterium prausnitzii by 0.1 log10 cells/mL more than during consumption of the placebo (P = 0.03), whereas populations of Bacillus spp. increased significantly by 0.5 log10 cells/mL from baseline in volunteers who consumed BC30 (P = 0.007). LPS-stimulated PBMCs showed a 0.2 ng/mL increase in the anti-inflammatory cytokine IL-10 28 d after consumption of BC30 (P < 0.05), whereas the placebo did not affect IL-10, and no overall difference was found in the effect of the treatments. Conclusions: Daily consumption of BC30 by adults aged 65–80 y can increase beneficial groups of bacteria in the human gut and potentially increase production of anti-inflammatory cytokines. This study shows the potential benefits of a probiotic to improve dysbiosis via modulation of the microbiota in older persons. J Nutr doi: 10.3945/jn.114.199802.

Effect of prebiotics on the fecal microbiota of elderly volunteers after dietary supplementation of Bacillus coagulans GBI-30, 6086

In advancing age, gut populations of beneficial microbes, notably Bifidobacterium spp., show a marked decline. This contributes to an environment less capable of maintaining homoeostasis. This in vitro investigation studied the possible synergistic effects of probiotic supplementation in modulating the gut microbiota enabling prebiotic therapy to in elderly persons. Single stage batch culture anaerobic fermenters were used and inoculated with fecal microbiota obtained from volunteers after taking a 28 day treatment of Bacillus coagulans GBI-30, 6086 (GanedenBC30 (BC30)) or a placebo. The response to prebiotic supplements fructooligosaccharides (FOS) and galactooligosaccharides (GOS) in the fermenters was assessed. Bacterial enumeration was carried out using fluorescent in situ hybridisation and organic acids measured by gas chromatography. Baseline populations of Faecalibacterium prausnitzii, Clostridium lituseburense and Bacillus spp. were significantly higher in those having consumed BC30 compared to the placebo. Both prebiotics increased populations of several purportedly beneficial bacterial groups in both sets of volunteers. Samples from volunteers having ingested the BC30 also increased populations of C. lituseburense, Eubacterium rectale and F. prausnitzii more so than in persons who had consumed the placebo, this also resulted in significantly higher concentrations of butyrate, acetate and propionate. This shows that consumption of BC30 and subsequent use of prebiotics resulted in elevated populations of beneficial genres of bacteria as well as organic acid production

Managing maize under pest species competition: is Bt (Bacillus thuringiensis) maize the solution?

Transgenic crops that contain Cry genes from Bacillus thuringiensis (Bt) have been adopted by farmers over the last 17 years. Unlike traditional broad spectrum chemical insecticides, Bt's toxicity spectrum is relatively narrow and selective, which may indirectly benefit secondary insects that may become important pests. The economic damage caused by the rise of secondary pests could offset some or all of the benefits associated with the use of Bt varieties. We develop a bioeconomic model to analyze the interactions between primary and secondary insect populations and the impact of different management options on insecticide use and economic impact over time. Results indicate that some of the benefits associated with the adoption of genetically engineered insect resistant crops may be eroded when taking into account ecological dynamics. It is suggested that secondary pests could easily become key insect pests requiring additional measures - such as insecticide applications or stacked traits – to keep their populations under the economic threshold.

Enhancement of Th1 Lung Immunity Induced by Recombinant Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guerin Attenuates Airway Allergic Disease

Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guerin (BCG) has been shown to down-regulate experimental allergic asthma, a finding that reinforced the hygiene hypothesis. We have previously found that recombinant BCG (rBCG) strain that express the genetically detoxified Si subunit of pertussis toxin (rBCG-S1PT) exerts an adjuvant effect that enhances Th1 responses against BCG proteins. Here we investigated the effect of this rBCG-S1PT on the classical ovalbumin-induced mouse model of allergic lung disease. We found that rBCG-S1PT was more effective than wild-type BCG in preventing Th2-mediated allergic immune responses. The inhibition of allergic lung disease was not associated with increased concentration of suppressive cytokines or with an increased number of pulmonary regulatory T cells but was positively correlated with the increase in IFN-gamma-producing T cells and T-bet expression in the lung. In addition, an IL-12-dependent mechanism appeared to be important to the inhibition of lung allergic disease. The inhibition of allergic inflammation was found to be restricted to the lung because when allergen challenge was given by the intraperitoneal route, rBCG-S1PT administration failed to inhibit peritoneal allergic inflammation and type 2 cytokine production. Our work offers a nonclassical interpretation for the hygiene hypothesis indicating that attenuation of lung allergy by rBCG could be due to the enhancement of local lung Th1 immunity induced by rBCG-S1PT. Moreover, it highlights the possible use of rBCG strains as multipurpose immunomodulators by inducing specific immunity against microbial products while protecting against allergic asthma.

Campoletis flavicincta (Hym., Ichneumonidae) : ocorrência, criação e interação com Spodoptera frugiperda (Lep., Noctuidae) e Bacillus thuringiensis aizawai

Spodoptera frugiperda é um inseto-praga responsável por altos níveis de desfolhamento em gramíneas cultivadas, sendo que, dentre os métodos de controle, o biológico pode vir a tornar-se uma alternativa. Foi feita uma revisão de literatura sobre parasitóides de S. frugiperda. A ocorrência de parasitóides desse inseto, em áreas de cultivo de milho da EEA/IRGA, foi avaliada em Cachoeirinha, RS. Verificou-se a presença de Chelonus sp., Cotesia sp. e Exaticolus sp. (Hym., Braconidae), Campoletis flavicincta e Ophion sp. (Hym., Ichneumonidae) e de Archytas incertus e Lespesia archippivora (Dip., Tachinidae), com predomínio de C. flavicincta. Em função da dificuldade de obtenção de fêmeas deste inseto em laboratório, foram avaliadas diferentes condições de criação. Desta forma, registrou-se uma razão sexual de 0,41 quando foram expostas lagartas de segundo ínstar de S. frugiperda, as fêmeas do parasitóide apresentavam idade entre 3 e 6 dias e os casais foram formados no momento da exposição. Por fim, aspectos referentes à interação entre C. flavicincta/S. frugiperda/B. thuringiensis aizawai, em laboratório, foram avaliados A partir de análise do consumo alimentar de folhas de milho, observou-se que lagartas parasitadas e infectadas apresentaram um menor consumo, apesar do mesmo não ter diferido daquele de lagartas apenas parasitadas. A mortalidade das lagartas parasitadas e infectadas foi superior tanto das infectadas quanto das parasitadas. Lagartas infectadas mostraram um período de alimentação que não diferiu das sadias, apesar de terem apresentado maior duração da fase larval. Indivíduos descendentes de casais que emergiram de lagartas infectadas não tiveram alteradas suas características biológicas. A análise histológica de lagartas parasitadas e infectadas indicou não ter havido alteração no ovo e larva do parasitóide, resultante da ação do bacilo. Pode-se, portanto, inferir que o uso conjunto do parasitóide e da bactéria não resulta em prejuízo para o parasitóide.

Purificação e caracterização da bacteriocina cereína 8A, produzida por uma linhagem de Bacillus cereus

Foi estudada uma bacteriocina produzida por uma linhagem de B. cereus 8A, isolado de solo da região Sul do Brasil. Na primeira etapa de estudo determinaram-se as condições básicas de produção de bacteriocina com amplo espectro de ação denominada de Cereína 8A. Observou-se que durante a fase estacionária ocorre o máximo da sua produção, iniciando sua síntese no final da fase exponencial. As condições de maior produção foram a 30º C, agitação e contínua e numa faixa de pH de 7,0-8,5. A bacteriocina bruta inibiu várias bactérias indicadoras, como Listeria monocytogenes, Clostridium perfringens e Bacillus cereus. O teste de termoestabilidade mostrou a perda de atividade quando submetida a uma temperatura a partir de 87º C. Verificou-se a resistência da bacteriocina bruta frente à tripsina e papaína, mas não frente à proteinase K e pronase E. B. cereus e L. monocytogenes foram utilizadas como bactérias indicadoras para a determinação do modo de ação, após a determinação da dose bactericida de 200 UA mL-1 e 400 UA mL-1 respectivamente. A Cereína 8A demonstrou uma ação inibidora em culturas de Escherichia coli e Salmonella Enteritidis, quando tratadas com EDTA. A atividade esporicida foi observada contra esporos de B. cereus após tratamento com 400 UA ml -1. A análise da biomassa de L. monocytogenes e B. cereus após tratamento com a Cereína 8A, através da espectrofotometria de infravermelho determinou alteração no perfil, correspondente à fração dos ácidos graxos da membrana celular bacteriana. A substância peptídica foi separada por meio da precipitação com sulfato de amônio, extração com 1-butanol e aplicação em coluna de cromatografia por troca iônica tipo Q-Sepharose. A Cereína 8A purificada mostrou maior sensibilidade a proteases e ao calor e um peso molecular de aproximadamente 26 kDa. O espectro ultravioleta foi típico de um polipeptídeo e o espectro de infravermelho indica presença de grupamentos NH, acil e ligações peptídicas na sua estrutura. Uma hipótese do mecanismo de ação seria a desestruturação da membrana celular pela abertura de poros.

Produção, caracterização, purificação parcial e aplicação de um peptídeo antimicrobiano produzido por Bacillus licheniformis P40

Uma bactéria identificada como Bacillus licheniformis P40 isolada de intestino de peixe (Leporinus sp.) da bacia amazônica foi estudada quanto à sua capacidade de produzir antimicrobianos. O sobrenadante da cultura obtido em caldo de cérebro e coração (BHI) foi caracterizado, sendo ativo contra importantes bactérias patogênicas e deteriorantes como L. monocytogenes, B. cereus, E. carotovora e isolados clínicos de Streptococcus. Este foi parcialmente purificado através de precipitação com sulfato de amônio e cromatografia de gel filtração e de troca iônica. Foram assim isoladas duas substâncias com atividade antimicrobiana, sendo uma delas de natureza protéica. Esta foi estável a altas temperaturas (100o C), numa ampla faixa de pH e mostrou propriedades de biosurfactante. O sobrenadante parcialmente purificado foi utilizado para o combate a um importante fitopatógeno: Erwinia carotovora. Uma dose de 6400 UA/mL foi bactericida para uma concentração de 107 UFC/mL em 20 minutos in vitro. A substância foi capaz de evitar a formação da podridão mole em batatas (in vivo). Foi estudada a produção da atividade antimicrobiana em resíduos e sub-produtos da indústria de alimentos, sendo escolhido o soro de queijo para otimizar a produção através de um experimento fatorial 23 variando as condições de temperatura, pH e concentração de soro de queijo em pó. As melhores condições foram para temperaturas entre 26 e 37o C e pH entre 6,5 e 7,5 para uma concentração de soro de 7%, sendo que aumentos na concentração levaram a aumentos na produção.

Estudos de atividade proteolítica de Bacillus cereus em biorreator

O presente trabalho teve como principal objetivo avaliar a produção de enzimas proteolíticas por Bacillus cereus. As fermentações foram conduzidas em Biorreator Biodesign, com aeração de 1vvm, temperatura de 37°C e agitação de 400 r.p.m. como parâmetros fixos. Dois meios diferentes foram utilizados, Meio Referência (MR) e Meio de Proteína de Soja PS60® (MPS1), em experimentos realizados com 24 horas. Para avaliação da produção de complexos enzimáticos, retirou-se amostras a intervalos de 3 horas para análise de valores de pH, densidade ótica e massa seca. A atividade proteolítica, concentração de proteína solúvel e açúcares redutores, contagem de células viáveis totais e esporos também foram investigadas. Os resultados demonstraram que ambos os meios propiciaram condições para o ótimo desenvolvimento do B. cereus. Os resultados também indicam que, embora os dois meios tenham apresentado um crescimento celular semelhante, o meio composto por proteína de soja propiciou a obtenção de um extrato bruto com atividade proteolítica mais elevada. Nas condições de fermentação empregadas, o meio MPS1 apresentou em 15 horas uma atividade enzimática de 18,7UmL-1.h-1.enquanto que o meio MR apresentou uma atividade proteolítica de 11,8 UmL-1.h-1.

Caracterização de um peptídeo antimicrobiano produzido por linhagem de Bacillus amyloliquefaciens isolada de solo

Em anos recentes, surgiram numerosos casos de intoxicação alimentar envolvendo patógenos emergentes. Estes casos levaram a um aumento da preocupação com a preservação dos alimentos minimamente processados e com a segurança alimentar. Este fato está induzindo a pesquisa por inibidores para estes patógenos e fatores para prolongar a vida de prateleira de produtos alimentícios. Entre as novas alternativas na preservação está a utilização de peptídeos antimicrobianos produzidos por bactérias. No presente trabalho uma bactéria identificada como Bacillus amyloliquefaciens LBM 5006 isolada de solos de mata Atlântica de Santa Catarina foi selecionada dentre outros microrganismos e sua capacidade de produzir antimicrobianos foi avaliada. O extrato bruto da cultura do isolado LBM 5006 foi caracterizado, sendo ativo contra importantes bactérias patogênicas e deteriorantes como Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Erwinia carotovora, Escherichia coli, dentre outras. Houve maior produção do antimicrobiano quando a bactéria foi propagada em caldo infusão de cérebro e coração (BHI) a 37o C durante 48 h. Após concentração, a atividade antimicrobiana resistiu ao tratamento com enzimas proteolíticas. A atividade antimicrobiana foi verificada em pHs ácidos, sendo inibida em pH 9 e 10. O extrato foi purificado por meio de cromatografia de gel filtração e extração com butanol. O teste qualitativo de ninidrina, juntamente com a espectroscopia de infravermelho e ultravioleta, feitos com a substância purificada revelou que o antimicrobiano possui natureza protéica. O antimicrobiano apresentou um efeito bacteriostático contra 106 UFC/mL de Listeria monocytogenes na concentração de 25 AU/ml.

Isolamento de bactérias resistentes a cromo hexavalente e purificação parcial da enzima redutora de cromo do Bacillus sp. ES29

A redução do Cr(VI) para Cr(III) diminui a toxidade deste metal no ambiente uma vez que, o Cr(III) é insolúvel às membranas biológicas. Assim a redução microbiana do Cr(VI) é uma alternativa para reduzir os impactos ambientais causados por este metal, utilizado em diversos processos industriais. O objetivo deste trabalho foi selecionar microrganismos a partir de solo contaminado com cromo, caracterizar sua capacidade de redução do Cr(VI) durante o crescimento celular e purificar parcialmente a enzima cromo redutase do Bacillus sp. ES29, através da precipitação com sulfato de amônio (45-75%), cromatografia de gel filtração (Sephadex G-25) e cromatografia de interação hidrofóbica (Octyl Sepharose). A atividade de redução do Cr(VI) pelos isolados foi quantificada com o reagente de s-difenilcarbazida. No isolamento, foram obtidas 20 bactérias resistentes a cromo(VI). Seis destas foram capazes de reduzir 100 mg L-1 Cr(VI) em 24 horas. Um dos isolados foi identificado, através de testes bioquímicos, como pertencete ao gênero Bacillus, sendo tolerante a 750 mg L-1 Cr(VI) e reduzindo mais de 40% do Cr(VI) durante o crescimento celular. Na purificação parcial da enzima foi obtido um fator de purificação de 11,2, aumentando a atividade específica da enzima acima de 11 vezes, porém se faz necessário mais passos de purificações para obtenção desta enzima pura. As bactérias selecionadas e a enzima parcialmente purificada, foram eficientes na redução do Cr(VI) e apresentam potencial para outros estudos, visando a aplicação em processos de biorremediação.

Genetic differentiation between sympatric populations of Bacillus cereus and Bacillus thuringiensis

Little is known about genetic exchanges in natural populations of bacteria of the spore-forming Bacillus cereus group, because no population genetics studies have been performed with local sympatric populations. We isolated strains of Bacillus thuringiensis and B. cereus from small samples of soil collected at the same time from two separate geographical sites, one within the forest and the other at the edge of the forest. A total of 100 B. cercus and 98 B. thuringiensis strains were isolated and characterized by electrophoresis to determine allelic composition at nine enzymatic loci. We observed genetic differentiation between populations of B. cereus and B. thuringiensis. Populations of a given Bacillus species-B. thuringiensis or B. cereus-were genetically more similar to each other than to populations of the other Bacillus species. Hemolytic activity provided further evidence of this genetic divergence, which remained evident even if putative clones were removed from the data set. Our results suggest that the rate of gene flow was higher between strains of the same species, but that exchanges between B. cereus and B. thuringiensis were nonetheless possible. Linkage disequilibrium analysis revealed sufficient recombination for B. cereus populations to be considered panmictic units. In B. thuringiensis, the balance between clonal proliferation and recombination seemed to depend on location. Overall, our data indicate that it is not important for risk assessment purposes to determine whether B. cereus and B. thuringiensis belong to a single or two species. Assessment of the biosafety of pest control based on B. thuringiensis requires evaluation of the extent of genetic exchange between strains in realistic natural conditions.

Identificação e caracterização de genes vip e cry coleóptero-específicos em isolados de Bacillus thuringiensis

O objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar os genes cry3, vip1, vip2 e vip1/vip2 em uma coleção de 1.078 isolados de Bacillus thuringiensis potencialmente tóxicos para larvas de coleópteros. Foram utilizados pares de oligonucleotídeos iniciadores gerais obtidos a partir de regiões conservadas dos genes e do alinhamento de sequências consenso. Posteriormente, os isolados positivos foram caracterizados por meio da técnica de PCR‑RFLP, tendo-se utilizado enzimas de restrição específicas, para identificar novas subclasses de genes nos isolados. Cento e cinquenta e um isolados foram positivos para os genes avaliados, com maior frequência para o gene vip1/vip2 (139 isolados). Pela técnica de PCR‑RFLP, foram observados 14 perfis polimórficos, o que indica a presença de diferentes alelos e, consequentemente, de distintas subclasses desses genes.