Fate of Cry Toxins from Bacillus thuringiensis in soil

par Hung Phuc Truong

Thèse de doctorat en Ecologie Fonctionnelle et Sciences Agronomiques

Sous la direction de Siobhan Staunton.

Soutenue le 14-12-2015

à Montpellier en cotutelle avec l'Institut Polytechnique (Hanoï) , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec EcoSols - Ecologie fonctionnelle et biochimie des sols (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Devenir des toxines Cry de Bacillus thuringiensis dans le sol


  • Résumé

    Les propriétés insecticides du Bacillus thuringiensis, découvert par ShigentaneIshiwatari, ont été utilisées pendant des décennies comme biopesticides et cette utilisation a augmenté rapidement en raison de préoccupations au sujet des effets environnementaux négatifs des pesticides chimiques. Actuellement, la toxine Bt dans la forme de biopesticides et des plantes transgéniques Bt peut compléter ou remplacer les pesticides chimiques. Il y a peu d’indication que la toxine Bt a un effet nocif pour l'environnement ou la santé humaine. Néanmoins, il ya des préoccupations que les cultures transgéniques commerciales peuvent avoir des effets néfastes sur l'environnement. Après son introduction dans le sol l'exsudation racinaire et la dégradation des résidus végétaux, la toxine Bt interagit avec les particules de sol. Les interactions de la toxine Bt avec des particules de sol influencent sa mobilité, sa biodisponibilité, sa persistance et sa toxicité.Dans cette étude, nous visons à établir l'importance relative des facteurs biologiques et physico-chimiques dans la détermination de la dynamique des protéines Cry détectables dans les sols, de clarifier si la protéine adsorbée conserve ses propriétés insecticides et d'identifier les propriétés du sol qui déterminent le devenir des protéines Cry dans le sol. Les résultats montrent que les protéines Cry ont une forte affinité sur la surface du sol. Cependant, il y avait peu de relation entre l'affinité pour le sol ou le rendement d'extraction et les propriétés du sol, y compris la teneur en argile, teneur en carbone organique et le pH du sol. Il y avait peu de rapport entre l'affinité et le rendement d'extraction. Les protéines diffèrent à la fois dans leur affinité pour les sols et leurs rendements d'extraction.Une évaluation du rôle du sol et des facteurs environnementaux dans le sort des protéines Cry de la formulation de biopesticides commerciale a montré un déclin rapide de la protéine Cry détectable soumise aux rayons du soleil sous la condition de laboratoire, alors que peu d'effet a été observé dans des conditions de terrain. La demi-vie des protéines dans le sol dans des conditions naturelles était d'environ 1 semaine. Des effets de la température forts ont été observés, mais ils diffèrent pour les biopesticides et la protéine purifiée, indiquant différentes étapes limitantes. Pour le biopesticide, la baisse observée était ralenties par des facteurs biologiques, y compris éventuellement sporulation. En revanche pour des protéines purifiées, augmentation de la température améliorée des changements conformationnels de la protéine adsorbée du sol, conduisant à une fixation et, par conséquent diminué efficacité d'extraction qui a diminué avec le temps. En outre, l'étude de la persistance de diverses protéines Cry dans les sols contrastés a été réalisée par immuno-détection et dosage biologique a montré que la toxine extractible diminue avec incubation allant jusqu'à quatre semaines. L'activité insecticide était toujours maintenue à l'état adsorbé, mais a disparue après deux semaines d'incubation à 25°C. La baisse de la protéine extractible et la toxicité était beaucoup plus faible à 4°C à 25°C. La stérilisation du sol n'a pas eu d'effet significatif sur la persistance de la toxine Cry indiquant que le déclin observé était provoqué par la fixation en fonction du temps de la protéine adsorbée ce qui diminue la quantité de toxine Cry extractable, la dégradation de la protéine par l’activité microbienne jouant un rôle plus mineur.L’exposition des insectes aux protéines Cry sous la forme adsorbé pourrait avoir un impact significatif sur les insectes cibles et même les insectes non cibles, et devrait être plus étudiée afin de déterminer son impact potentiel.


  • Résumé

    The insecticidal properties of Bacillus thuringiensis, discovered by Shigentane Ishiwatari, have been used for decades as biopesticides and this use has been increasing rapidly because of concerns about the negative environmental effects of chemical pesticides. Currently, Bt toxin in the form of both biopesticides and Bt transgenic plantsmay supplement or replace chemical pesticide. There is little evidence to demonstrate that Bt toxin has any harmful effect to the environment or to human health. Nevertheless, there are concerns that commercial transgenic crops may have harmful impacts on the environment. After release into soil via root exudation and breakdown of plant residues, Bt toxin interacts with soil particles. The interactions of Bt toxin with soil particles influence its mobility, its bioavailability, its persistence and its toxicity. In this study, we aim to establish the relative importance of biological and physicochemical factors in the determination of the dynamics of detectable Cry proteins in soils, to clarify if adsorbed protein maintains its insecticidal properties and to identify the soil properties that determine the fate of Cry proteins in soil. The results show that Cry proteins have strong affinity on soil surface. However, there was little relationship between affinity for soil or the extraction yield and soil properties including clay content, organic carbon content and soil pH. There was little relationship between the affinity and the extraction yield. The proteins differ in both their affinity for soil and their extraction yields.An assessment of role of soil and environmental factors in the fate of Cry protein from commercial biopesticide formulation showed a rapid decline of detectable Cry protein subjected to direct sunlight under the laboratory condition, whereas, little effect was observed under field conditions. The half-life of proteins in soil under natural conditions was about one week. Strong temperature effects were observed, but theydiffered for biopesticide and purified protein, indicating different limiting steps. For biopesticide, the observed decline was due to biological factors, possibly including sporulation. In contrast for purified proteins, increased temperature enhanced conformationalchanges of the soil-adsorbed protein, leading to fixation and hence extraction efficiency decreased that decreased with time. Moreover, the study of persistence of various Cry proteins in contrasting soils was carried out by immuno-detection and bioassay showed that extractable toxin decreased with incubation of up to four weeks. Insecticidal activity was still retained in the adsorbed state, but lost after two weeks of incubation at 25°C. The decline in extractable protein and toxicity was much lower at 4°C than 25°C. There was no significant effect of soil sterilization to persistence of Cry toxin indicating that decrease in detectable Cry toxin in soil may be time-dependent fixation of adsorbed protein as well as decreasing solubilization in larva midgut, but not microbial breakdown.Exposition to Cry in the adsorbed form could have a significant impact on target and even non target insects and should be investigation to determine the potential impact.

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