Summary

Массовое производство энтомопатогенных грибов Metarhizium robertsii и Metarhizium pinghaense для коммерческого применения против насекомых-вредителей

Published: March 31, 2022
doi:

Summary

Энтомопатогенные грибы приобрели значение в качестве агентов биологического контроля сельскохозяйственных насекомых-вредителей. В данном исследовании было успешно проведено массовое производство достаточного количества устойчивых инфекционных пропагул южноафриканских изолятов как Metarhizium robertsii , так и M. pinghaense для коммерческого применения против насекомых-вредителей с использованием сельскохозяйственных зерновых продуктов.

Abstract

Энтомопатогенные грибы видового комплекса Metarhizium anisopliae приобрели значение в качестве агентов биологического контроля сельскохозяйственных насекомых-вредителей. Повышение устойчивости вредителей к химическим инсектицидам, растущая обеспокоенность по поводу негативного воздействия инсектицидов на здоровье человека и загрязнение окружающей среды пестицидами привели к глобальному стремлению найти новые устойчивые стратегии защиты растений и борьбы с вредителями. Ранее предпринимались попытки массовой культивации таких энтомопатогенных видов грибов (EPF), как Beauveria bassiana . Однако были предприняты лишь ограниченные попытки массового культивирования Metarhizium robertsii и M. pinghaense для использования против насекомых-вредителей. Это исследование было направлено на массовое получение достаточного количества устойчивых инфекционных пропагул южноафриканских изолятов M. robertsii и M. pinghaense для коммерческого применения. Три сельскохозяйственных зерновых продукта, слоеный овес, шелушащийся ячмень и рис, были использованы в качестве твердых ферментационных субстратов EPF. Для инокуляции твердых субстратов использовали два метода инокуляции, конидиальные суспензии и жидкую грибковую культуру бластоспор. Было отмечено, что инокуляция с использованием конидиальных суспензий была относительно менее эффективной, поскольку на твердых субстратах наблюдались повышенные уровни загрязнения по сравнению с использованием метода инокуляции бластоспор. Было обнаружено, что шелушащийся овес не является подходящим субстратом для роста как для M. robertsii , так и для M. pinghaense, поскольку с субстрата не собирали сухих конидий. Было обнаружено, что шелушеный ячмень благоприятствует производству M. robertsii conidia по сравнению с M. pinghaense, и в среднем из субстрата было собрано 1,83 г ± 1,47 г сухой M. robertsii conidia и ноль граммов M. pinghaense conidia. Было обнаружено, что рисовые зерна благоприятствуют конидиальному массовому производству изолятов M. pinghaense и M. robertsii , в среднем 8,2 г ± 4,38 г и 6 г ± 2 г, собранных из субстрата, соответственно.

Introduction

Энтомопатогенные грибы (EPF) приобрели важное значение в качестве средств защиты растений в биологической борьбе с важными сельскохозяйственными насекомыми-вредителями 1,2. Энтомопатогены, встречающиеся естественным образом в почве, вызывают эпизоотии в популяциях различных видов вредителей3. Виды EPF специфичны для хозяина и представляют относительно небольшой риск с точки зрения нападения на нецелевые виды, и они нетоксичны для окружающей среды4. EPF имеют уникальный механизм для вторжения в своего хозяина, а также для распространения и сохранения в их ближайшем окружении1. Они атакуют хозяина в основном через бесполые споры, которые прикрепляются и проникают в кутикулу хозяина, чтобы вторгнуться и размножаться в гемокоэле хозяина. Хозяин в конечном итоге умирает из-за истощения питательных веществ гемолимфы или в результате токсикоза, вызванного токсичными метаболитами, выделяемыми грибком. После смерти, в идеальных условиях окружающей среды, грибок появляется на внешней поверхности (явный микоз) трупа хозяина 5,6.

Растущая обеспокоенность по поводу негативного воздействия химических остатков на здоровье человека, загрязнения окружающей среды и развития устойчивости к вредителям привела к глобальному стремлению сократить потребление инсектицидов на химической основе и найти альтернативные, новые и устойчивые стратегии защиты растений и борьбы с вредителями 6,7,8 . Это предоставило возможности для разработки инсектицидов на основе микробов для использования в программах комплексной борьбы с вредителями (IPM), которые являются более экологически благоприятными стратегиями, чем обычный химический контроль 3,8.

Чтобы разработать успешный микробный агент борьбы с сельскохозяйственным вредителем, подходящий организм должен быть сначала выделен, охарактеризован, идентифицирован и подтверждена его патогенность для целевого вредителя. Однако для получения жизнеспособного продукта для использования в программах биологического контроля 9,10,11,12,13 требуется простой и экономически эффективный метод крупномасштабного производства микробного агента. Массовое производство значительных количеств высококачественных энтомопатогенов зависит от микробного штамма, окружающей среды, целевого вредителя, состава, рынка, стратегии применения и желаемого конечного продукта 14,15,16. EPF может быть массово произведен с использованием ферментации жидкого субстрата для получения бластоспор или процесса ферментации твердого субстрата для получения воздушных конидий 6,17,18. Однако процесс массового производства и рецептуры энтомопатогенов напрямую влияет на вирулентность, стоимость, срок годности и полевую эффективность конечного продукта. Для успешного использования в IPM процесс производства энтомопатогенов должен быть простым в эксплуатации, требовать минимальной рабочей силы, производить высокую концентрацию вирулентных, жизнеспособных и стойких пропагул и быть недорогим 4,13,14,16.

Понимание потребностей в питании энтомопатогенов важно для массового выращивания всеми методами культивирования 4,12. Питательные компоненты производственной среды оказывают значительное влияние на характеристики полученных пропагул, включая эффективность биоконтроля, выход, устойчивость к высыханию и стойкость 8,19,20,21. Оптимизация производственных процедур предназначена для устранения таких факторов22. Для EPF основными требованиями для хорошего роста, споруляции и массового производства грибковых конидий являются достаточная влажность, оптимальная температура роста, рН, газообмен CO2 и O2 и питание, включая хорошие источники фосфора, углеводов, углерода и азота18.

Jaronski и Jackson18 описывают метод ферментации твердого субстрата как наиболее эффективный и наиболее близкий метод приближения к естественному процессу производства EPF по сравнению с методом ферментации жидкого субстрата, поскольку в естественных условиях грибковый конидиум переносится на твердые прямостоячие структуры, такие как поверхность трупов насекомых. Сельскохозяйственные продукты и побочные продукты, содержащие крахмал, в основном используются для массового производства гипокреальных грибов, поскольку грибы легко разлагают крахмал путем секреции высококонцентрированных гидролитических ферментов из своих гифальных кончиков, проникают в твердое вещество и получают доступ к питательным веществам, присутствующим в веществе 11,17,18,23 . Зерновые продукты также обеспечивают требования для здорового производства биомассы, потому что, когда они гидратируются и стерилизуются, субстраты могут поглощать дополнительные питательные вещества из любой жидкой среды 16,18,24.

Ранее в нескольких исследованиях предпринимались попытки массового культивирования видов EPF, таких как Beauveria bassiana (Bals.) Vuil., Cordyceps fumosorosea (Wize) Kelper B. Shrestha & Spatafora, Verticillium lecanii (Zimm.) Виегас и некоторые из Metarhizium anisopliae (Metschn.) Сорокинский видовой комплекс изолирует на различных субстратах 16,23,24. К таким массово производимым и коммерчески разработанным изолятам относятся Green Muscle® (штамм IMI 330189), разработанный из M. anisopliae var Metarhizium acridum (Driver & Milner) J.F. Bisch, Rehner & Humber, Metarhizium 69 (Meta 69 штамм ICIPE69), и Real Metarhizium 69 (L9281), разработанный из M. anisopliae, и Broadband® (штамм PPRI 5339) и Eco-Bb®, разработанный из B. bassiana25,26 . Однако были предприняты ограниченные попытки массовой культуры Metarhizium robertsii J.F. Bisch., S.A. Rehner & Humber и Metarhizium pinghaense Chen & Guo. Эти два изолята были выбраны в предыдущем исследовании как наиболее эффективные для борьбы с мучнистым червецом, Pseudococcus viburni Signoret (Hemiptera: Pseudococcidae)27. Поэтому настоящее исследование направлено на формулирование и массовое производство достаточного количества устойчивых инфекционных пропагул местных изолятов M. robertsii и M. pinghaense для коммерческого применения против насекомых-вредителей. Метод ферментации твердого субстрата был использован для массового получения грибковых конидий для обоих изолятов EPF. Два метода инокуляции EPF, с использованием конидиальных суспензий и жидкой грибковой культуры бластоспор, были использованы для инокуляции твердых субстратов.

Protocol

1. Источник грибковых штаммов Используйте южноафриканские изолированные грибковые штаммы как M. pinghaense 5 HEID (номер присоединения GenBank: MT367414/MT895630), так и M. robertsii 6EIKEN (MT378171/MT380849), собранные из яблоневых садов в Западно-Капской провинции, Южная Африка. Выращива…

Representative Results

Снижение массы содержания культур на рисе как для M. pinghaense , так и для M. robertsii наблюдалось с течением времени во время стадии сушки грибковых культур, при этом никаких или незначительных изменений в массе наблюдалось после того, как культуры были сухими (рисунок 5…

Discussion

Успешная интеграция микробных агентов для биологической борьбы с важными сельскохозяйственными насекомыми-вредителями в агроэкосистему зависит как от успеха, так и от простоты массового производства энтомопатогенов в качестве первого шага в лабораторных условиях. Массовое произво?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы поблагодарить Хорта Поме, Хорта Стоуна и Программу технологий и человеческих ресурсов для промышленности (THRIP: TP14062571871) за финансирование проекта.

ORCID:
Летоди Л. Матулве http://orcid.org/0000-0002-5118-3578

Антуанетта. Малан http://orcid.org/0000-0002-9257-0312

Номахолва Ф. Стокве http://orcid.org/0000-0003-2869-5652

Materials

0.05% Tween 20 Lasec Added to conidial suspensions to allow fungal spores to mix with water
20 mL McCartney bottles Lasec Used to make conidial suspensions
Aluminium foil Used as a cover of the cotton wool plugs on 250-mL flask
Autoclave Used to sterilize materials and ingredients used for the conidia production process
Autoclave bags Lasec Fermentation bags or solid substrate containers
Autoclave tape Lasec To secure PVC pipes on the fermentation bags
Brown Kraft paper bags Used to dry conidia cultures on agricultural grains
Bunsen burnner Labnet (Labnet International, Inc.) Used to flame equipment (surgical blades,inoculating loops and rims of flasks)
Clear edge test sieve Used to separate fungal conidia from agricultural grain substrates
Corn steep liquor SIGMA 66071-94-1 Ingredient of the blastospore liquid medium
Cotton Wool Lasec Used as plug of the neck for fermentation bags
Duran laboratory bottles Neolab Used to autoclave SDA medium and distilled water
Electrical tape Used to tape and seal the sieve joints to prevent the escape of conidial dust
ENDECOTTS test sieve Used to separate fungal conidia from agricultural grain substrates
Erlenmeyer Flasks, Narrow neck,250-mL flask Lasec Carrier of the blastospore liquid medium
Ethanol (99%) Lasec Used to sterilize surgical blades and inoculating loops
Flaked barley Health Connection Wholefoods Agricultural grain used as a solid substrate growth medium for conidia of both M. pinghaense and M. robertsii
Flaked oats Tiger brands Agricultural grain used as a solid substrate growth medium for conidia of both M. pinghaense and M. robertsii
Glucose Merck Ingredient of the blastospore liquid medium
Growth Chamber/ incubators For growing fungal conidia culture
Haemocytometer Used to determine conidial concentrations
Inoculating loops Lasec For harvesting spores to innoculate liquid medium for blastospores growth
Kitchen rolling pin Used to manipulate the solid grain substrate bed
Laminar flow Cabinet ESCO Laminar Flow Cabinet Provide as sterile environment during substrate inoculation
Metarhizium pinghaense conidia Stellenbosch University 5HEID Cultures used to mass culture conidia of Metarhizium pinghaense
Metarhizium robertsii conidia Stellenbosch University 6EIKEN Cultures used to mass culture conidia of Metarhizium robertsii
Microscope ZEIZZ (Scope. A1) Used to determine conidial concentrations and conidial viability
Orbital shaker IncoShake- LABOTEC Used for the blastospore production process
Parboiled rice Spekko Agricultural grain used as a solid substrate growth medium for conidia of both M. pinghaense and M. robertsii
Penicillin-Streptomycin SIGMA Added to the SDA medium to prevent bacterial contamination
Petri-dishes Lasec Containers for the SDA medium
Pipettes and pipette tips Labnet (BioPette PLUS) Used to measure liquids ingredients
Polyvinylchloride Marley waste pipe Used to create a neck for the fermentation bag
Potassium phosphate dibasic (K2HPO4) SIGMA-ALDRICH Ingredient of the blastospore liquid medium
Rubber band Used to secure the secure the surgical paper over the fermentation bag PVC pipe necks
Sabaroud dextrose agar (SDA) NEOGEN Culture Media Medium used to culture spores of both Metarhizium pinghaense and Metarhizium robertsii
Sterile distilled water To hydrate agricultural grains, to make conidial suspensions
Sticky pad Used to secure the seives on the vibratory shaker
Surgical blade Lasec Used to scrape off spores from fungal cultures
Surgical paper Lasec Used to cover the PVC necks and cotton wool plugs of the fermentation bag
Vibratory shaker Used to shake conidia off the agricultural grain substrates
Vortex mixer Labnet (Labnet International, Inc.) Used to mix conidial suspensions in Mc Cartney bottles
Yeast extract Biolab Added to the SDA medium to improve spore germination and growth
Zipper-lock bags GLAD Used to to store harvested fungal conidia

References

  1. Shah, P. A., Pell, J. K. Entomopathogenic fungi as biological control agents. Applied Microbiology and Biotechnology. 61 (5), 413-423 (2003).
  2. Mathulwe, L. L., Malan, A. P., Stokwe, N. F. A review of the biology and control of the obscure mealybug, Pseudococcus viburni (Hemiptera: Pseudococcidae), with special reference to biological control using entomopathogenic fungi and nematodes. African Entomology. 29 (1), 1-16 (2020).
  3. Ibrahim, L., Laham, L., Touma, A., Ibrahim, S. Mass production, yield, quality, formulation and efficacy of entomopathogenic Metarhizium anisopliae conidia. Current Journal of Applied Science and Technology. 9 (5), 427-440 (2015).
  4. Banu, J. G., Rajalakshmi, S. Standardisation of media for mass multiplication of entomopathogenic fungi. Indian Journal of Plant Protection. 42 (1), 91-93 (2014).
  5. Roberts, D. W., Humber, R. A., Cole, G. T., Kendrick, W. B. Entomogenous fungi. Biology of Conidial Fungi. , 201-236 (1981).
  6. Feng, M. G., Poprawski, T. J., Khachatourians, G. G. Production, formulation and application of the entomopathogenic fungus Beauveria bassiana for insect control. Current status. Biocontrol Science and Technology. 4 (1), 3-34 (1994).
  7. Karanja, L. W., Phiri, N. A., Oduor, G. I. Effect of different solid substrates on mass production of Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae entomopathogens. The Proceedings of the12th KARI Biennial Scientific Conference. , 8-12 (2010).
  8. Prasad, C. S., Pal, R. Mass production and economics of entomopathogenic fungus, Beauveria bassiana, Metarhizium anisopliae and Verticillium lecanii on agricultural and industrial waste. Scholars Journal of Agriculture and Veterinary Sciences. 1 (1), 28-32 (2014).
  9. Ehlers, R. U. Mass production of entomopathogenic nematodes for plant protection. Applied Microbiology and Biotechnology. 56 (5), 623-633 (2001).
  10. Pham, T. A., Kim, J. J., Kim, S. G., Kim, K. Production of blastospore of entomopathogenic Beauveria bassiana in a submerged batch culture. Mycobiology. 37 (3), 218-224 (2009).
  11. Bhadauria, B. P., Puri, S., Singh, P. K. Mass production of entomopathogenic fungi using agricultural products. The Bioscan. 7 (2), 229-232 (2012).
  12. Latifian, M., Rad, B., Amani, M. Mass production of entomopathogenic fungi Metarhizium anisopliae by using agricultural products based on liquid-solid diphasic method for date palm pest control. International Journal of Farming and Allied Sciences. 3 (4), 368-372 (2014).
  13. Agale, S. V., Gopalakrishnan, S., Ambhure, K. G., Chandravanshi, H., Gupta, R., Wani, S. P. Mass production of entomopathogenic fungi (Metarhizium anisopliae) using different grains as a substrate. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences. 7 (1), 2227-2232 (2018).
  14. Jackson, M. A. Optimizing nutritional conditions for the liquid culture production of effective fungal biological control agents. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 19 (3), 180-187 (1997).
  15. Deshpande, M. V. Mycopesticides production by fermentation. Potential and challenges. Critical Reviews in Microbiology. 25 (3), 229-243 (1999).
  16. Sahayaraj, K., Namasivayam, S. K. R. Mass production of entomopathogenic fungi using agricultural products and by products. African Journal of Biotechnology. 7 (12), 1907-1910 (2008).
  17. Feng, K. C., Liu, L. B., Tzeng, Y. M. Verticillium lecanii spore production in solid-state and liquid-state fermentations. Bioprocess Engineering. 23 (1), 25-29 (2000).
  18. Jaronski, S. T., Jackson, M. A., Lacey, L. A. Mass production of entomopathogenic Hypocreales. Manual of Techniques in Invertebrate Pathology 2nd edition. , 255-284 (2012).
  19. Vega, F. E., Jackson, M. A., Mercandier, G., Poprawski, T. J. The impact of nutrition on spore yields for various fungal entomopathogens in liquid culture. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 19 (4), 363-368 (2003).
  20. El Damir, M. Effect of growing media and water volume on conidial production of Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae. Journal of Biological Sciences. 6 (2), 269-274 (2006).
  21. Pandey, A. K., Kanaujia, K. R. Effect of different grains as solid substrates on sporulation, viability and pathogenicity of Metarhizium anisopliae (Metschnikoff) Sorokin. Journal of Biological Control. 22 (2), 369-374 (2008).
  22. Kassa, A., et al. Whey for mass production of Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae. Mycological Research. 112 (5), 583-591 (2008).
  23. Sharma, S., Gupta, R. B. L., Yadavam, C. P. S. Selection of a suitable medium for mass multiplication of entomofungal pathogens. Indian Journal of Entomology. 64 (3), 254-261 (2002).
  24. Bich, G. A., Castrillo, M. L., Villalba, L. L., Zapata, P. D. Evaluation of rice by-products, incubation time, and photoperiod for solid state mass multiplication of the biocontrol agents Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae. Agronomy Research. 16 (5), 1921-1930 (2018).
  25. Price, R. E., Müller, E. J., Brown, H. D., D’Uamba, P., Jone, A. A. The first trial of a Metarhizium anisopliae var. acridum mycoinsecticide for the control of the red locust in a recognised outbreak area. International Journal of Tropical Insect Science. 19 (4), 323-331 (1999).
  26. Hatting, J. L., Moore, S. D., Malan, A. P. Microbial control of phytophagous invertebrate pests in South Africa. Current status and future prospects. Journal of Invertebrate Pathology. 165, 54-66 (2019).
  27. Mathulwe, L. L., Malan, A. P., Stokwe, N. F. Laboratory screening of entomopathogenic fungi and nematodes for pathogenicity against the obscure mealybug, Pseudococcus viburni (Hemiptera: Pseudococcidae). Biocontrol Science and Technology. , (2021).
  28. Inglis, G. D., Enkerli, J., Goettel, M. S. Laboratory techniques used for entomopathogenic fungi: Hypocreales. Manual of Techniques in Invertebrate Pathology. , 189-253 (2012).
  29. Mehta, J., et al. Impact of carbon & nitrogen sources on the Trichoderma viride (Biofungicide) and Beauveria bassiana (entomopathogenic fungi). European Journal of Experimental Biology. 2 (6), 2061-2067 (2012).
  30. Burges, H. D. Formulation of mycoinsecticides. Formulation of Microbial Biopesticides. , 131-185 (1998).

Play Video

Cite This Article
Mathulwe, L. L., Malan, A. P., Stokwe, N. F. Mass Production of Entomopathogenic Fungi, Metarhizium robertsii and Metarhizium pinghaense, for Commercial Application Against Insect Pests. J. Vis. Exp. (181), e63246, doi:10.3791/63246 (2022).

View Video