INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ 2587-6740 114121 10.55186/25876740_2024_67_2_188 Научное обеспечение и управление агропромышленным комплексом Scientific support and management of agrarian and industrial complex Научное обеспечение и управление агропромышленным комплексом Highly virulent and specific biopesticides based on genetically modified entomopathogenic fungi Высоковирулентные и специфичные биопестициды на основе генетически модифицированных энтомопатогенных грибов Шухалова Анастасия Геннадиевна Shukhalova Anastasia Gennadievna nastyadzh@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-6664-3971 Тимофеев Сергей Александрович Timofeev Sergey Aleksandrovich ts-bio@ya.ru https://orcid.org/0000-0002-2362-2633 Долгих Вячеслав Васильевич Dolgikh Viacheslav Vasil'evich dol1slav@yahoo.com

доктор биологических наук;

doctor of sciences in biology;

 Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений Санкт-Петербург Россия All-Russian Institute of Plant Protection Saint-Petersburg Russian Federation Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений Санкт-Петербург Россия All-Russian Institute of Plant Protection Saint-Petersburg Russian Federation Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений Санкт-Петербург Россия All-Russian Institute of Plant Protection Saint-Petersburg Russian Federation 15 04 2024 15 04 2024 2 188 191 03 10 2023 08 11 2023 https://qje.su/en/nauka/article/114121/view

Использование энтомопатогенных грибов является перспективным направлением в биологической борьбе с насекомыми вредителями. Важными преимуществами этой методики является простота культивирования этих грибов, а также их безопасность для всех живых организмов кроме насекомых. Однако этот подход не лишен существенных недостатков, главным из которых являются относительно низкая вирулентность данных паразитов насекомых. Эта проблема может быть решена за счет генетической модификации используемых штаммов. В данном обзоре представлены актуальные данные о создании новых биопестицидов на основе таких штаммов и об их возможном применении в сельском хозяйстве. Основными методами трансформации энтомопатогенных грибов являются полиэтиленгликоль-опосредованная трансформация протопластов, трансформация с помощью агробактерий, электропорация пророщенных конидий и химическая трансформация бластоспор. В геном этих организмов встраивают последовательности, кодирующие различные эффекторные молекулы, способные негативно воздействовать на зараженных ими насекомых, например токсины из ядов хищных насекомых или паразитоидов. Недавно были созданы первые штаммы энтомопатогенных грибов, секретирующих в организм зараженных насекомых двуцепочечные РНК, способные подавлять экспрессию их жизненно важных белков. Повышение вирулентности данных штаммов происходит специфично к конкретному виду насекомого вредителя. Для эффективного применения подобных пестицидов важно обеспечить доставку энтомопатогенного гриба к вредителю. Основными способами является полив растений или почвы, опрыскивание, замачивание корней или семян, использование насекомых посредников. Самым распространенным способом является полив растений. В то же время хотя при внесении в почву энтомопатогенные грибы заражают только насекомых, которые находятся в грунте, в этом случае они наиболее защищены от воздействия внешних условий. Против кровососущих насекомых, как клещи и комары, можно использовать опрыскивание скота и жилой площади.

The use of entomopathogenic fungi represents a promising avenue in biological pest control against insect pests. This method offers significant advantages, including the ease of cultivating these fungi and their safety to non-target organisms, apart from insects. Nevertheless, a notable drawback of this approach is the relatively low virulence of entomopathogenic fungi towards insect hosts. This challenge can be addressed through genetic modification of the fungal strains. This review provides up-to-date insights into the development of novel biopesticides based on genetically modified strains and their potential applications in agriculture. The main methods of transformation of entomopathogenic fungi are polyethylene glycol-mediated transformation of protoplasts, transformation using agrobacteria, electroporation of germinated conidia and chemical transformation of blastospores. Incorporation of sequences encoding various effector molecules into the genomes of these organisms is a key strategy, allowing these fungi to negatively impact their infected insect hosts. Recent advancements have led to the creation of strains that secrete double-stranded RNA (dsRNA), targeting essential insect proteins, thus enhancing their virulence. Importantly, the enhancement of virulence in these strains is specific to particular pest insect species. Effective delivery of entomopathogenic fungi to target pests is crucial for the successful application of such biopesticides. Common methods include plant or soil drenching, foliar spraying, root or seed soaking, and the use of insect vectors. Soil drenching, for instance, selectively targets soil-dwelling insects, providing protection against environmental factors. For blood-feeding insects like ticks and mosquitoes, livestock and residential area spraying can be employed. This comprehensive overview sheds light on the genetic strategies for augmenting the insecticidal potential of entomopathogenic fungi and underscores the significance of effective delivery mechanisms for their successful utilization in integrated pest management strategies.

 биопестициды энтомопатогенные грибы генетическая модификация Metarrhizium Beauveria Lecanicillium biopesticides entomopathogenic fungi genetic modification Metarrhizium Beauveria Lecanicillium Исследование выполнено при поддержке РНФ в рамках научного проекта № 23-26-00039. The research was supported by the Russian Science Foundation, project No. 23-26-00039.

Oerke E.C. & Dehne H.W, (2004). Safeguarding production – losses in major crops and the role of crop protection. Crop Protection, vol. 23, no 4, pp. 275–285 Oerke E.C. & Dehne H.W, (2004). Safeguarding production – losses in major crops and the role of crop protection. Crop Protection, vol. 23, no 4, pp. 275–285 Lovett B. & St Leger R.J. (2018) Genetically engineering better fungal biopesticides. Pest Manag Sci. vol. 4, no 4, pp. 781–789. doi:10.1002/ps.4734 Lovett B. & St Leger R.J. (2018) Genetically engineering better fungal biopesticides. Pest Manag Sci. vol. 4, no 4, pp. 781–789. doi:10.1002/ps.4734 Тимофеев С.А., В.С. Журавлев В.С., Долгих В.В. Трансформация энтомопатогенных грибов: методический обзор // Вестник защиты растений. 2019. № 100 С. 7-14. Timofeev S.A., V.S. Zhuravlev V.S., Dolgih V.V. Transformaciya entomopatogennyh gribov: metodicheskiy obzor // Vestnik zaschity rasteniy. 2019. № 100 S. 7-14. Fang W., Zhang Y., Yang X., Zheng X., Duan H., Li Y. & Pei Y. (2004). Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Beauveria bassiana using an herbicide resistance gene as a selection marker. J Invertebr Pathol. vol. 85, no 1, pp. 18–24. doi: 10.1016/j.jip.2003.12.003 Fang W., Zhang Y., Yang X., Zheng X., Duan H., Li Y. & Pei Y. (2004). Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Beauveria bassiana using an herbicide resistance gene as a selection marker. J Invertebr Pathol. vol. 85, no 1, pp. 18–24. doi: 10.1016/j.jip.2003.12.003 Kuwano T., Shirataki C. & Itoh Y. (2008) Comparison between polyethylene glycol- and polyethylenimine-mediated transformation of Aspergillus nidulans. Curr Genet. vol. 54, no 2, pp. 95–103. Kuwano T., Shirataki C. & Itoh Y. (2008) Comparison between polyethylene glycol- and polyethylenimine-mediated transformation of Aspergillus nidulans. Curr Genet. vol. 54, no 2, pp. 95–103. Jin K., Zhang Y., Luo Z., Xiao Y., Fan Y., Wu D. & Pei Y. (2008). An improved method for Beauveria bassiana transformation using phosphinothricin acetyltransferase and green fluorescent protein fusion gene as a selectable and visible marker. Biotechnol Lett. vol. 30, no 8, pp. 1379–1383. doi: 10.1007/s10529-008-9713-6 Jin K., Zhang Y., Luo Z., Xiao Y., Fan Y., Wu D. & Pei Y. (2008). An improved method for Beauveria bassiana transformation using phosphinothricin acetyltransferase and green fluorescent protein fusion gene as a selectable and visible marker. Biotechnol Lett. vol. 30, no 8, pp. 1379–1383. doi: 10.1007/s10529-008-9713-6 Davari А., Skinner М. & Parker В. (2018). Cell electrofusion to improve efficacy and thermotolerance of the entomopathogenic fungus, Beauveria bassiana. Journal of Applied Microbiology. vol. 125, no 5, pp. 1482–1493. doi: 10.1111/jam.14031 Davari A., Skinner M. & Parker V. (2018). Cell electrofusion to improve efficacy and thermotolerance of the entomopathogenic fungus, Beauveria bassiana. Journal of Applied Microbiology. vol. 125, no 5, pp. 1482–1493. doi: 10.1111/jam.14031 Ying S.H. & Feng M.G. (2006) Medium components and culture conditions affect the thermotolerance of aerial conidia of fungal biocontrol agent Beauveria bassiana. Lett Appl Microbiol. vol. 43, pp. 331–335. doi:10.1111/j.1472-765X.2006.01947.x Ying S.H. & Feng M.G. (2006) Medium components and culture conditions affect the thermotolerance of aerial conidia of fungal biocontrol agent Beauveria bassiana. Lett Appl Microbiol. vol. 43, pp. 331–335. doi:10.1111/j.1472-765X.2006.01947.x St Leger R.J., Joshi L., Bidochka M.J. & Roberts D.W. (1996). Construction of an improved mycoinsecticide overexpressing a toxic protease. Proc Natl Acad Sci USA. vol. 93, pp. 6349–6354. doi: 10.1073/pnas.93.13.6349 St Leger R.J., Joshi L., Bidochka M.J. & Roberts D.W. (1996). Construction of an improved mycoinsecticide overexpressing a toxic protease. Proc Natl Acad Sci USA. vol. 93, pp. 6349–6354. doi: 10.1073/pnas.93.13.6349 Lu D., Pava-Ripoll M., Li Z. & Wang C. (2008). Insecticidal evaluation of Beauveria bassiana engineered to express a scorpion neurotoxin and a cuticle degrading protease. Appl Microbiol Biotechnol. vol. 81, no 3, pp. 515–522. doi: 10.1007/s00253-008-1695-8 Lu D., Pava-Ripoll M., Li Z. & Wang C. (2008). Insecticidal evaluation of Beauveria bassiana engineered to express a scorpion neurotoxin and a cuticle degrading protease. Appl Microbiol Biotechnol. vol. 81, no 3, pp. 515–522. doi: 10.1007/s00253-008-1695-8 Ming X., Yan J.Z., Xiao M.Z., Jin J.Z., De Liang P. & Gang W. 2015. Expression of a scorpion toxin gene BmKit enhances the virulence of Lecanicillium lecanii against aphids. J Pest Sci. vol. 88, pp. 637–644. Ming X., Yan J.Z., Xiao M.Z., Jin J.Z., De Liang P. & Gang W. 2015. Expression of a scorpion toxin gene BmKit enhances the virulence of Lecanicillium lecanii against aphids. J Pest Sci. vol. 88, pp. 637–644. Zeng S., Lin Z., Yu X., Zhang J. & Zou Z. (2023) Expressing Parasitoid Venom Protein VRF1 in an Entomopathogen Beauveria bassiana Enhances Virulence toward Cotton Bollworm Helicoverpa armigera. Appl Environ Microbiol. vol. 89, no 6, pp. e0070523. doi: 10.1128/aem.00705-23 Zeng S., Lin Z., Yu X., Zhang J. & Zou Z. (2023) Expressing Parasitoid Venom Protein VRF1 in an Entomopathogen Beauveria bassiana Enhances Virulence toward Cotton Bollworm Helicoverpa armigera. Appl Environ Microbiol. vol. 89, no 6, pp. e0070523. doi: 10.1128/aem.00705-23 Yu H., Meng J., Xu J., Liu T. & Wang D. (2015). A Novel Neurotoxin Gene ar1b Recombination Enhances the Efficiency of Helicoverpa armigera Nucleopolyhedrovirus as a Pesticide by Inhibiting the Host Larvae Ability to Feed and Grow. PLoS ONE. vol. 10, no 8, pp. e0135279. doi: 10.1371/journal.pone.0135279 Yu H., Meng J., Xu J., Liu T. & Wang D. (2015). A Novel Neurotoxin Gene ar1b Recombination Enhances the Efficiency of Helicoverpa armigera Nucleopolyhedrovirus as a Pesticide by Inhibiting the Host Larvae Ability to Feed and Grow. PLoS ONE. vol. 10, no 8, pp. e0135279. doi: 10.1371/journal.pone.0135279 González-Mas N., Sánchez-Ortiz A., Valverde-García P. & Quesada-Moraga E. (2019). Effects of Endophytic Entomopathogenic Ascomycetes on the Life-History Traits of Aphis gossypii Glover and Its Interactions with Melon Plants. Insects. vol. 10, no 6, pp. 165. doi: 10.3390/insects10060165 González-Mas N., Sánchez-Ortiz A., Valverde-García P. & Quesada-Moraga E. (2019). Effects of Endophytic Entomopathogenic Ascomycetes on the Life-History Traits of Aphis gossypii Glover and Its Interactions with Melon Plants. Insects. vol. 10, no 6, pp. 165. doi: 10.3390/insects10060165 Ramos Aguila L.C., Sánchez Moreano J.P., Akutse K.S., Bamisile B.S., Liu J., Haider F.U., Ashraf H.J. & Wang L. (2023). Comprehensive genome-wide identification and expression profiling of ADF gene family in Citrus sinensis, induced by endophytic colonization of Beauveria bassiana. Int J Biol Macromol. vol. 225, pp. 886–898. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.11.153 Ramos Aguila L.C., Sánchez Moreano J.P., Akutse K.S., Bamisile B.S., Liu J., Haider F.U., Ashraf H.J. & Wang L. (2023). Comprehensive genome-wide identification and expression profiling of ADF gene family in Citrus sinensis, induced by endophytic colonization of Beauveria bassiana. Int J Biol Macromol. vol. 225, pp. 886–898. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.11.153 Wilcken C.F., Dal Pogetto M.H.F.D.A., Lima A.C.V., Soliman E.P., Fernandes B.V., da Silva I.M., Zanuncio A.J.V., Barbosa L.R. & Zanuncio J.C. (2019) Chemical vs entomopathogenic control of Thaumastocoris peregrinus (Hemiptera: Thaumastocoridae) via aerial application in eucalyptus plantations. Sci Rep. vol. 9, no 1, pp. 416. doi: 10.1038/s41598-019-45802-y Wilcken C.F., Dal Pogetto M.H.F.D.A., Lima A.C.V., Soliman E.P., Fernandes B.V., da Silva I.M., Zanuncio A.J.V., Barbosa L.R. & Zanuncio J.C. (2019) Chemical vs entomopathogenic control of Thaumastocoris peregrinus (Hemiptera: Thaumastocoridae) via aerial application in eucalyptus plantations. Sci Rep. vol. 9, no 1, pp. 416. doi: 10.1038/s41598-019-45802-y Barra-Bucarei L., France Iglesias A., Gerding González M., Silva Aguayo G., Carrasco-Fernández J., Castro J.F. & Ortiz Campos J. (2019). Antifungal Activity of Beauveria bassiana Endophyte against Botrytis cinerea in Two Solanaceae Crops. Microorganisms. vol. 8, no 1, pp. 65. doi: 10.3390/microorganisms8010065. Barra-Bucarei L., France Iglesias A., Gerding González M., Silva Aguayo G., Carrasco-Fernández J., Castro J.F. & Ortiz Campos J. (2019). Antifungal Activity of Beauveria bassiana Endophyte against Botrytis cinerea in Two Solanaceae Crops. Microorganisms. vol. 8, no 1, pp. 65. doi: 10.3390/microorganisms8010065. Lin G., Guertin C., Di Paolo S.A., Todorova S. & Brodeur J. (2019). Phytoseiid predatory mites can disperse entomopathogenic fungi to prey patches. Sci Rep. vol. 9, no 1, pp. 19435. doi: 10.1038/s41598-019-55499-8 Lin G., Guertin C., Di Paolo S.A., Todorova S. & Brodeur J. (2019). Phytoseiid predatory mites can disperse entomopathogenic fungi to prey patches. Sci Rep. vol. 9, no 1, pp. 19435. doi: 10.1038/s41598-019-55499-8 Rodriguez-Vivas R.I., Jonsson N.N. & Bhushan C. (2018). Strategies for the control of Rhipicephalus microplus ticks in a world of conventional acaricide and macrocyclic lactone resistance. Parasitology Research, vol. 117, pp. 3–29. doi.org/10.1007/s00436-017-5677-6 Rodriguez-Vivas R.I., Jonsson N.N. & Bhushan C. (2018). Strategies for the control of Rhipicephalus microplus ticks in a world of conventional acaricide and macrocyclic lactone resistance. Parasitology Research, vol. 117, pp. 3–29. doi.org/10.1007/s00436-017-5677-6 Mnyone L.L., Kirby M.J., Lwetoijera D.W., Mpingwa M.W., Simfukwe E.T., Knols B.G., Takken W. & Russell T.L. (2010). Tools for delivering entomopathogenic fungi to malaria mosquitoes: effects of delivery surfaces on fungal efficacy and persistence. Malar J. vol. 9, pp. 246. doi: 10.1186/1475-2875-9-246 Mnyone L.L., Kirby M.J., Lwetoijera D.W., Mpingwa M.W., Simfukwe E.T., Knols B.G., Takken W. & Russell T.L. (2010). Tools for delivering entomopathogenic fungi to malaria mosquitoes: effects of delivery surfaces on fungal efficacy and persistence. Malar J. vol. 9, pp. 246. doi: 10.1186/1475-2875-9-246