Entomopatogeni nematodi – korist u proizvodnji povrća

I štetni kukci imaju svoje neprijatelje, a među njima i tzv. entomopatogene nematode – „gliste“ koje kupujemo u plastičnim kantama kako bi zaštitili različite biljne kulture.

Proizvodnja i upotreba ovih parazita svakim danom dramatično raste. No, to nije sve jer su se umiješali i kreativni genetičari pretvorivši ove parazite u genetički modificirane organizme koji preživljavaju i pri nižim temperaturama.

Od znanstvene znatiželje do biznisa

Prvog entomopatogenog nematoda je opisao Steiner kao Aplectana kraussei (sada Steinernema kraussei) 1923. godine. To se tada u znanstvenoj javnosti smatralo tek kuriozitetom nakon čega su i kulture izgubljene. Tek nakon tri desetljeća je Jaroslav Weiser (1955.) opisao europsku populaciju Neoaplectana carpocapsae ( sada Steinernema carpocapsae) iz ličinki jabukovog savijača kada i američki entomolozi Dutky S.R. i Hough W.S. iz istog štetnika. Tek tada su studije o patogenosti i biologiji dobile na značaju.

Prava komercijalizacija je započela 80-ih. Entomopatogeni nematodi su isključeni iz zahtjeva za registraciju pesticida u mnogim zemljama zbog visoke razine sigurnosti za ljude, neciljane organizme i okoliš. To je pomoglo komercijalnom razvoju najmanje pet vrsta roda Heterorhabditis i osam vrsta iz roda Steinernema. Istraživanje o primjeni, biologiji i ekologiji ovih nematoda je doživjelo eksponencijalni rast u devedesetima, što traje i danas. Ovi organizmi su izdvojeni iz tla diljem svijeta. Tako je danas opisano najmanje 96 vrsta iz roda Steinernema, jedna vrsta iz roda Neosteinernema i 21 vrsta iz roda Heterorhabditis.

Udruživanjem do smrti kukca

Ovi parazitski nematodi člankonožaca posjeduju infektivni juvenilni (IJ) stadij koji aktivno napada kukca. Učinkovitost im je povezana s djelovanjem simbiotičkih bakterija koje igraju važnu ulogu u oštećenju kukca. Sve poznate vrste ovih nematoda dijele sličnu biologiju. Jedini stadij koji preživi izvan domaćina je infektivni juvenilni treći stadij koji se ne hrani i ne razvija (engl. dauer juvenile). U kukce ulazi kroz prirodne otvore (usni otvor, anus, dišnice) ili izravno prodire kroz tanke dijelove kutikule. U hemocelu se juvenilni stadij presvlači i otpušta svoje simbiotske bakterije izlučevinama ili regurgitacijom. Suradnja rezultira uginućem osjetljivog kukca već unutar jedan do dva dana. Razvoj će se nastaviti nastajanem muških i ženskih odraslih jedinki.

Nematodi se hrane bakterijskim stanicama i tkivima domaćina koje su probavile bakterije i tijekom jednog do četiri tjedna prolaze kroz jednu do tri generacije dok se resursi domaćina ne iscrpe. Tada će, 100 do 100 000 novih infektivnih nematoda (sa simbiotičkim bakterijama u njihovom nefunkcionalnom probavnom sustavu) napustiti leš kukca kako bi potražili nove domaćine. Simbiotske bakterije entomopatogenih nematoda su uvrštene u rodove Photorhabdus (Heterorhabditis spp.) i Xenorhabdus (Steinernema spp.) unutar obitelji Morganellaceae. Povezanost nematoda i bakterija vrlo je specifična. U prirodi, bakterije nisu zarazne i ne mogu opstati izvan nematoda ili kukca pa tako koriste ove nematode kako bi bile prenešene s jednog na drugog domaćina.

Spektar domaćina za entomopatogene nematode je uglavnom nepoznat jer je većina vrsta izdvojena iz uzoraka tla korištenjem ličinki vrlo osjetljivog voskovog moljca Galleria mellonella. Iako u laboratorijskim uvjetima mogu zaraziti široki raspon vrsta kukaca, smatra se da je u prirodi taj raspon mnogo uži. Neki su nematodi dobro prilagođeni uskoj skupini vrsta domaćina, dok su pak za druge manje opasni. Tako je Steinernema scapterisci izvrsno prilagođena kukcima iz reda ravnokrilaca (Orthoptera), a Steinernema kushidai i Stenernema scarabaei ličinkama truležara ( porodica Scarabaeidae).

Kako entomopatogeni nematodi pronalaze domaćina

Kako bi locirali potencijalnog domaćina, nematodi koriste različite tehnike što je ključna komponenta u načinu upotrebe u biološkoj kontroli. Neke vrste (npr. S. carpocapsae, S. scapterisci) čekaju i napadaju iz zasjede te nastoje ostati blizu površine tla gdje lakše nalaze pokretne domaćine. Neke druge vrste (Steinernema glaseri, Heterorhabditis  bacteriophora) aktivno se raspoređuju po slojevima tla i nastoje zaraziti manje pokretne domaćine. Aktivno širenje parazita je uglavnom ograničeno na 90 cm vodoravno i okomito u tlu tijekom razdoblja od 30 dana. Mogu se i pasivno distribuirati putem gujavica ili pokretnim zaraženim domaćinima tik pred uginuće. Poznato je da reagiraju na različite znakove i signale za navigaciju kroz supstrat i pronalaženje domaćina poput hlapljivih tvari domaćina ili oštećenih biljaka. Znaju i razlikovati već zaražene od nezaraženih domaćina.

Tablica 1. Popis nekih kukaca štetnika za koje su znanstvene studije dokazale učinkovitost entomopatogenih nematoda i njihovih simbiotskih bakterija (modificirano prema Vashisth, S. Entomopathogenic nematodes – A review. Agricultural Reviews, January 2013)

Sb, Steinernema bicornutum; Sc, Steinernema carpocapsae; Sf, Steinernema feltiae; Sg, Steinernema glaseri; Sl, Steinernema longicaudum; Sm, Steinernema monticulum, St, Steinernema thermophilum, S sp. Steinernema species; H sp. Heterorhabditis species; Hb, Heterorhabditis bacteriophora; Hi Heterorhabditis indica; Hm, Heterorhabditis marelatus

Ekologija entomopatogenih nematoda

Vrlo su osjetljivi na sunčeve zrake koje ih mogu inaktivirati već nakon nekoliko minuta. Gubitak se može svesti na najmanju moguću mjeru ako se primjenjuju rano ujutro ili navečer ili pak dodavanjem sredstava za zaštitu od UV zračenja. Najaktivniji su pri temperaturi od 20^o do 30 ^oC. Usporeniji su pri temperaturi od 10^o-15 ^oC dok ih temperatura od 30^o do 40°C potpuno inaktivira. Nakon primjene u tlu, gubici mogu doseći čak 50% u roku od nekoliko sati dok nematodi ne uđu u tlo.

Nakon toga, gubici i dalje postoje i to u rasponu od 5-10% dnevno. Kako bi se nadoknadili gubici, opće pravilo je koristiti 25 infektivnih juvenilnih nematoda na cm² tretirane površine, ako nisu potrebne veće ili manje količine kod nekih specifičnih štetnika. U tlu se infektivni juvenilni nematodi kreću kroz vodeni film koji oblaže međuprostore u tlu. Umjerena vlažnost tla je neophodna za dobru aktivnost.

Aktivnost nematoda je ograničena u suhom tlu, iako ako se tlo postupno suši, nematodi miruju i opstaju. Nematod Heterorhabditis bacteriophora teško podnosi isušivanje pa će aktivno tražiti slojeve tla s višim sadržajem vlage. Tlo zasićeno vodom i bez kisika negativno utječu na njihovu aktivnost kao i pH <4 i > 8. I drugi čimbenici mogu utjecati na preživljavanje populacija entomopatogenih nematoda. Brojne se vrste člankonožaca i drugih beskralješnjaka hrane ovim nematodima  (npr. grinje, skokuni, dugoživci, predatorski nematodi, nematofagne gljivice) ili zaraženim domaćinima. Drugi neprijatelji kukaca (npr. entomopatogene gljivice, bakterije ili virusi) natječu se s nematodima za iste domaćine što ne mora imati negativni učinak.