Deur Alicia Geyer, SB Coetzee
en Lukas Potgieter
MBFi

Bacillus spesies produseer ’n breë spektrum van bioaktiewe verbindings wat lipopeptiedantibiotika genoem word, wat ’n groot belofte toon in biobeheer-toepassings in die landbou.

Alhoewel lede van die genera Bacillus bekend is vir hul bydrae tot plantproduktiwiteit en plantbeskerming, verskil elke isolaat in sy werkingsmetode en intensiteit van hierdie aksie. Met die oog hierop is Incite ontwikkel en uitgebreide keuring is uitgevoer om die beste Bacillus-isolaat te kies wat betref die omvang en konsentrasie van die lipopeptiedproduksie.

Die aktiewe bestanddeel in Incite, Bacillus methylotrophicus, produseer twee breëspektrum swamdodende lipopeptiedantibiotika uit die families Iturin en Fengycin, sowel as ’n bakte- riedodende antibiotikum uit die surfaktienpep- tied-familie. Lipopeptiede is ’n hoogs biologies afbreekbare, lae giftige en omgewingsvriendelike plaagdoderopsie. Hulle funksie is egter nie beperk tot slegs plantpatogeen antagonisme nie.

Rol in die oorlewing op plantoppervlaktes

Vir ’n blaar biologiese swamdoder om effektief mee te ding en plantpatogene te onderdruk, is suksesvolle oppervlakkolonisasie en oorlewing nodig. Net ’n handjievol van bakterieë in die genera van Pseudomonas, Sphingomonas, Methylobacterium, Bacillus, Massilia, Arthrobacter en Pantoea het die vermoë om in die ongunstige toestande van die blaaroppervlak te kan oorleef en voortplant.

Die blaaroppervlakte is ’n veranderlike omgewing waar mikrobes blootgestel word aan fluktuerende relatiewe humiditeit, intense UV-bestraling, uitermatige temperatuur en -skommelings asook waterstres. Dit beteken dat die mikrobes wat hulself hier wil vestig, gehard moet wees en by die omgewing moet kan aanpas. Een van die metodes wat Bacillus methylotrophicus gebruik om hierdie vyandige omgewingstoestande te oorkom, is deur lipopeptiede en ekstrasellulêre polisakkariede te produseer vir beskerming en biofilm-formasie.

Lipopeptiede in die familie van Surfactin kan as bevogtigingsmiddels op die hidrofobiese blaaroppervlak optree, wat selbeweeglikheid aanmoedig, sowel as oplosbaarheid en verspreiding van voedingstowwe vir groei. Hierdie bevogtigingsmiddel verseker dat vrye vog wat op die blaar is, vasgevang word, en sodoende kan die vogbehoefte van die bakterieë in droë tye bevredig word.

Rol in die vorming van biofilms

Plantoppervlaktes word blootgestel aan strawwe omgewingstoestande soos UV-strale en lae vog. Daar is bewys dat surfactin ’n rol speel in die vorming van biofilm (digte sel-aggregate wat op ’n oppervlak vorm). Hierdie sel-aggregate word bedek met ’n slymlaag wat bekend staan as ekstrasellulêre polisakkariede (EPS), wat nie net die selle teen ongunstige toestande beskerm nie, maar ook help met vogretensie om die oppervlakkolonisasie te verbeter.

Hierdie EPS vorm ’n netwerk van langketting- suikers wat ’n muur om die bakteriese kolonie vorm om te beskerm teen voguitdrooging, weerstand bied teen osmotiese stresse, reak- tiewe suurstofspesies, asook enige ongewensde chemiese stowwe op die blaar. Hierdie verseker dat die bakterie oor die langtermyn op die blaaroppervlakte kan oorleef en anti-mikrobiese middels kan afskei, wat lei tot uitstekende patogeenbeheer.

Rol in plantsistemiese weerstandinduksie

Fengycins en surfactins kan verdedigingsreaksies in plante teen plantpatogeniese swamme veroorsaak, wat ’n beduidende toename in siekteweerstand en patogeenonderdrukking tot gevolg het. Daar word gepostuleer dat sommige lipopeptiede versteurings in die plasmamembraan van plantselle kan veroorsaak, wat ’n reeks molekulêre gebeurtenisse aktiveer wat lei tot verhoogde weerstand. Soos wat patogene die plant binnedring deur patogeen-geassosieerde molekulêre patrone (PAMP’s) en die immuunsisteem van die plant onderdruk, doen Bacillus die teenoorgestelde deur middel van mikrobiese geassosieerde molekulêre patrone (MAMP’s).

Hierdie MAMP’s is die interaksie van molekules wat deur bakterieë afgeskei word en die binding daarvan aan reseptore op die plant se selwande. Sodra hierdie molekules bind, word seine in die plant aangeskakel wat die plant laat weet dat daar mikro-organismes in die omgewing teenwoordig is, en dat die plant se weerstandsisteme in werking moet tree. Hierdie sistemiese weerstand, wat deur die salisielsuur aangeskakel word en so die plant bo- en ondergronds induseer, bied dan weerstand teen ’n verskeidenheid patogene. Die verhoogde inherente weerstandtoestand van die plant lei tot laer voorkoms en erns van verskeie siektes.

Rol in die onderdrukking en vernietiging van patogene

Lipopeptiedantibiotika het ’n amfifiele struktuur wat bestaan uit ’n hidrofiliese peptied en ’n hidrofobiese lipiedeweknie. As gevolg van die ooreenkoms tussen die lipopeptiedstruktuur en die struktuur van die bakteriese- en swamplasma-membraan, is integrasie van hierdie verbindings in die plasmamembraan van die patogeen moontlik. Integrasie lei tot die ontwrigting van die normale struktuur en porievorming in die plasmamembraan.

Aangesien die hooffunksie van die plasmamembraan is om as ’n selektiewe deurlaatbare membraan op te tree, sal die ontwrigting van hierdie struktuur óf daartoe lei dat selle vloeistowwe ophoop en bars, óf belangrike sellulêre vloeistowwe kan verloor wat dehidrasie tot gevolg kan hê en uiteindelik die dood van selle.

Eienskappe van die drie klasse lipopeptiede van Bacillus:

Surfactin:

• Klein grootte bevoordeel ’n asimmetriese verspreiding tussen binne- en buiteblaaie.
• Lipieddisorganisasie.
• Bevoordeel deurlaatbaarheid deur ’n skoonmaakmiddelagtige effek.

Iturin:

• Interaksie met lipiedmembrane verhoog ioondeurlaatbaarheid as gevolg van die vorming van ioon-geleidende porieë.

Fengycin:

• Aggregate bevorder die kromming van albei pamflette.
• Wek die verdunning van die tweelaag op.
• In alle gevalle veroorsaak die invoeging van die peptiedring ’n verbygaande membraanversteuring of ’n plaaslike tweelaagversteuring, wat lei tot deurlaatbaarheidsveranderings.

Maak gebruik van uitstekende eienskappe tot voordeel van die landbou

Die unieke groeimedium en produksiestrategie  van Incite maak voorsiening vir die vrystelling van groot hoeveelhede van hierdie lipopeptiedantibiotika en die vorming van ’n hoë kon- sentrasie uiters weerstandige endospore.

Die antibiotika wat in Incite voorkom, begin werk sodra die produk op die plant-/vrugoppervlak toegepas word om ’n aanvanklike neerslageffek te skep terwyl die endospore ontkiem, die plant-/vrugoppervlak koloniseer, en meer antibiotika afskei in die teenwoordigheid van ’n plantpatogeen.

Hierdie hoë samesmelting van lipopeptiede en die produksie daarvan na kolonisering, gee aanleiding tot ’n hoë biologiese beheer van veral poeieragtige skimmel en botrytis op bessies en druiwe; Sclerotina stamvrot en roes op sojabone; asook vroeë roes en botrytis op aartappels. Die doeltreffendheid van Incite is te wyte aan die vermoë van die lipopeptiede om die selmembraan van die patogeen af te breek, maar Incite beskadig en versteur ook die hife van die patogeen en stop die huidige infeksie.

Van teorie na praktyk: hoe werk Incite in die veld, ’n gevallestudie

Die verskil in die teorie van hoe ’n produk, veral ’n biologiese produk, in die laboratorium werk en hoe dit in die lande vir die boer werk, is altyd twee verskillende realiteite. In ’n laboratorium word gewoonlik baie gunstige toestande geskep (Fig. 2) vir die siekte maar ook so vir die biobeheer-produk wat gebruik word. ’n Boer het nie die vermoë om die ideale toestande vir ’n biobeheer-produk in sy lande te skep nie en dus is daar soms groot verskille in die beheer wat navorsers in die laboratorium kry en wat boere in hul lande sien. In die ontwikkeling van Incite was die boer en sy lande se omgewingstoestande altyd in gedagte gehou om te verseker dat die beste beheer moontlik verkry sal word onder meeste omgewingstoestande.

In die beheer van die vernaamste en moeilikste beheerbare siektes in die veld, het die intensiewe ontwikkeling van Incite vrugte gebaar. Incite se ontwikkelingswerk het uitmuntende stabiliteit en beheer gewys onder laboratorium- en glashuistoestande waar dit in die veld dieselfde stabiliteit wys.

In Grafiek 1 kan ons die beheer van poeieragtige skimmel op verskeie bessies in drie verskillende areas sien. Op tafeldruiwe in Marble Hall het die biologiesebeheer van Incite pa gestaan saam met konvensionele harde chemie in die laagste dosis (2.5 L/ha). Incite het 100% beheer getoon tot 14 dae na aanwending. Dieselfde goeie resultate, 14 dae na aanwending, is op aarbeie in Stellenbosch gesien asook op bloubessies in Groblersdal.

Vandag se biobeheermiddels word spesifiek ontwikkel om met die harde chemie in die veld te kan meeding, of dit nou is vir uitklop-aksie of ’n langer termyn residuele effek.

Die ontwikkelings- en produksiewerk agter Incite stel die produk in staat om ’n onmiddellike uitklopaksie teen siektes te hê deur die verhoogde produksie van lipopeptiedantibiotika in die finale produk. Die ontwikkelingswerk vir ’n stabiele isolaat verseker weer die oorlewing van die bakterieë op die plantdele waar Incite toe gedien word, om ’n langer residuele werking te verseker, sodat die boer ’n langtermynoplossing het vir siektebeheer. Stabiliteit en effektiwiteit in biobeheermiddels word verseker deur ’n intensiewe produkontwikkelings-platform.