病原细菌杀虫机制insecticidal mechanismof pathogenic bacteria

病原细菌被寄主取食后，以寄主组织为营养大量繁殖或释放毒素，使寄主的组织失去正常生理功能不能继续生存而死去。
作为病原细菌杀虫剂的现有三种芽孢杆菌： 苏云金杆菌、日本金龟甲芽孢杆菌（乳状芽孢杆菌）和球状芽孢杆菌，其作用机制不完全相同。
苏云金杆菌 使昆虫致病和研究较多的主要是δ-内毒素和β-外毒素。
δ-内毒素 苏云金杆菌在生长后期，除产生一个芽孢外，还产生一个或多个蛋白质性质的伴孢晶体。1967年美国亨普尔(A.M.Heimple)将其定名为δ-内毒素。完整的晶体不表现毒性，晶体只有在敏感昆虫中肠的碱性pH肠液和蛋白酶作用下，水解成为不同分子量的蛋白质和多肽，其中的某些成分对昆虫有毒性。如分子量在6～7万原子质量单位的蛋白质对大部分鳞翅目昆虫幼虫有毒，分子量2.6万原子质量单位的蛋白质对蚊幼虫有毒。毒素主要作用于肠上皮细胞。首先引起细胞超微结构的组织病变，而后导致生物化学代谢失调，最终则生理机能失控，而导致寄主死亡。
组织病变 在组织学上，肠上皮细胞受毒素作用后，柱状细胞和杯状细胞均发生病变。首先线粒体开始轻度凝聚，此时其他细胞结构尚未明显发生变化。继而线粒体凝聚加重，嵴减少或消失，许多线粒体穿孔。细胞快解体时，线粒体肿胀成球形，嵴断裂。肠上皮细胞的粗面内质网在病变开始时轻度肿胀，继而肿胀成球形而断裂。有些柱状细胞顶部严重肿胀，微绒毛消失，细胞质中的细胞器严重病变，中下部的损伤程度比上部为轻，细胞顶部受损程度也不一。柱状细胞基膜内褶腔增大，内褶中线粒体减少。杯状细胞的病变除与柱状细胞相同外，还表现出细胞质突起脱落。病变后期出现大量的肠壁细胞脱落，细胞质膜部分或全部消失，细胞质呈空泡状，核染色异常，细胞器难以辨认。最后，大部分细胞解体，细胞质完全消失。在病变过程中，核的变化不大，只有在脱落与解体的细胞中才有明显变化。
生化代谢失调 生物化学上，毒素作用于中肠细胞后，刺激细胞呼吸，使ATP缺失，在短期内促进葡萄糖的吸收，后终因ATP不足，葡萄糖吸收量减少，细胞能量减低和渗透压的调节不能维持； 因一切正常代谢运转均有赖于线粒体提供能量，线粒体的病变使细胞代谢受到抑制；中肠是主要离子调节部位，杯状细胞是K⁺从血腔到肠腔的主动运输结构，细胞结构受损后，K⁺水平在血淋巴中增高，K⁺的调节受到损坏，改变了肠细胞膜的渗透性，离子与其他分子能均衡地穿过肠壁。血淋巴中Na⁺增加缓慢，因而使生化代谢失调。
生理功能失控致死 在生理学上，随着肠壁细胞的广泛病变，它的代谢功能失调，肠壁破坏，此时肠壁细胞的体内平衡机制停止作用，离子和其他分子任意地穿过肠壁，改变了原来中性的血淋巴和碱性的肠液。血淋巴的pH升高引起寄主全身麻痹停止取食，肠道pH降低使苏云金杆菌的芽孢得以萌发，并和其他正常的肠道微生物穿过肠壁流入血腔，而大量繁殖引起败血症。但往往在败血症发生以前寄主已经死亡。
β-外毒素 它是某些苏云金杆菌生长过程中分泌至菌体外的代谢产物。提纯的外毒素称苏云金素。它是一种腺嘌呤核苷酸类似物，对热稳定，可耐120℃15分钟而不失去活性，故又称热稳定外毒素。它的杀虫范围较广，除鳞翅目、双翅目外，还对某些鞘翅目、同翅目、直翅目等昆虫有毒效。它抑制和干扰RNA的生物合成，而RNA在蛋白质生物合成中起作用。它在肠道中会被肠道磷酸酶降解，但在血淋巴中降解甚少。它主要对昆虫幼虫和某些成虫有毒效。致病作用因剂量、应用时间和方式而异。在生理学的临界发育期如蜕皮、化蛹或羽化毒性较明显。剂量大时可使昆虫昏迷而死。剂量逐渐降低，幼虫死亡减少但使蛹或成虫产生畸态，或使成虫萎缩、生殖力和寿命减低。在形态结构上，亦能造成口器、触角和翅的畸形，不同昆虫略有差异。畸形的口器使昆虫不能取食而缩短寿命。外毒素能透至血淋巴中作用于卵巢，扰乱卵子的发生或使卵巢萎缩。
日本金龟甲芽孢杆菌 是金龟甲科某些近缘种的专性病原菌，也称乳状芽孢杆菌。它具有芽孢和伴孢晶体，被包在孢子囊壁里，经超声波处理可使孢子囊壁破碎。
伴孢晶体是蛋白质性质的。以溶解的晶体和完整的晶体饲喂寄主时无毒性，但注射至血腔内，溶解晶体的毒力是完整晶体的两倍，晶体作用的机制尚不清楚。蛴螬受金龟甲芽孢杆菌感染后能活数星期，但不能变态至蛹期。芽孢在寄主肠道内萌发成营养体，并在中肠基膜内增殖并侵染中肠柱状细胞，造成坏死病灶和细胞脱落。当杆菌积聚在病灶附近的再生胞窝时，再生胞窝细胞增加了有丝分裂。病灶附近的血细胞亦较周围密集并形成被囊，尽管如此，仍有营养细胞免于被血细胞包入被囊的防卫反应而进入血腔并在其中大量繁殖。很快充满血腔并形成厚壁且有折光性的孢子，透过寄主体壁呈乳白色（乳状病因而得名）。患病寄主幼虫体内组成脂肪体的滋养细胞（营养细胞）减少，由健康幼虫脂肪的干重22.6毫克/头减至5.3毫克/头。使幼虫由于缺少脂类而不能进一步变态，生长受到抑制而死。幼龄幼虫感染后则被抑制蜕皮。寄主死后，芽孢释放至土壤中。
球状芽孢杆菌 其中的某些品系对蚊幼虫有高度的杀虫活性。有两种类型： 一类仅形成芽孢，另一类还产生伴孢晶体。形成晶体菌株的毒力比仅有芽孢的高约3000倍。
1965年凯伦(W.R.Kellen)等分离到了对蚊虫有毒效的球状芽孢杆菌。研究较多的是SSII-1对蚊幼虫的致病机理。当它们被蚊幼虫取食进入肠道后，被围在围食膜中而消化，细胞壁释放出一种组分，通过围食膜至中肠敏感细胞，而导致蚊幼虫中毒。最先消化的是细胞壁，但杀虫活性的主要因素是一种或多种与细胞有联系的毒素。在组织学上，SSII-1和其他肠道菌均局限在围食膜中，直至寄主接近死亡或死亡后，中肠细胞的溶酶体在濒死幼虫中的数量和大小均有增加。中肠细胞彼此分开，最后脱落至肠腔内，但细菌仍然没有穿过基底膜至血腔。1981年戴维森(E.W.Davidson)等人发现了某些品系有伴孢晶体，并认为毒素主要来源于伴孢晶体，但细胞壁亦显示有毒性。有毒蛋白质的分子量为43万道尔顿。蚊幼虫取食球状芽孢杆菌后，它的伴孢晶体在中肠被溶解，释放毒素，破坏中肠上皮细胞。细胞受毒素作用后，某些线粒体显示了致密基质物，内嵴打开，内质网亦微微肿胀。随着病变加深，高尔基体增大，分泌泡膨胀。核膜变化很少，核膨胀，染色体向四周散开，空泡明显增大。细胞质致密度减低，线粒体致密度加重，嵴膨胀。后期，大部分细胞膨胀，细胞致密度大大减低，直至许多细胞解体。