Toxinas Cry : perspectivas para a obtenção de algodão transgênico brasileiro

Abstract

Toxinas Cry provenientes de Bacillus thuringiensis, também denominadas de δ- endotoxinas, possuem ampla atividade inseticida e são específicas para insetos de diferentes ordens, não sendo nocivas a mamíferos, aves, anfíbios ou répteis. Devido a esta característica, seus genes vêm sendo utilizados no desenvolvimento de plantas transgênicas, visando o controle de insetos-praga de culturas de importância econômica. Dentre estas, destaca-se o algodoeiro que tem como principais pragas o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta-do-cartucho (Spodoptera frugiperda), ambas causadoras de grandes prejuízos econômicos. Assim, este trabalho objetivou: caracterizar uma estirpe de Bt (S811) tóxica contra S. frugiperda e A. grandis, identificar e clonar os genes codificadores de toxinas Cry potenciais para o controle dessas pragas, expressar os genes em sistema heterólogo Escherichia coli e testar a toxicidade das toxinas contra as pragas em questão. Os resultados obtidos nas análises da estirpe por microscopia eletrônica revelaram a presença de cristais esféricos e bipiramidais, enquanto que a análise de SDS-PAGE detectou proteínas de massa molecular com cerca de 140 kDa e 80 kDa. Posteriormente, uma caracterização gênica, utilizando oligonucleotídeos específicos para genes cry, identificou três genes, cry1Ab, cry1Ia e cry8, sendo estes dois últimos de maior interesse. O gene cry8, que foi isolado pela técnica TAIL-PCR, codifica uma proteína com 58% de identidade de aminoácidos com outras toxinas Cry8, enquanto que o gene cry1Ia12 (isolado com oligonucleotídeos específicos) codifica uma proteína que possui 99% de identidade com as outras proteínas do tipo Cry1Ia descritas na literatura. As porções tóxicas dos genes foram clonadas e expressadas em E. coli produzindo as proteínas recombinantes Cry8 e Cry1Ia12 de aproximadamente 70 kDa (cada uma). As proteínas recombinantes causaram mortalidade de 50% para larvas de A. grandis com 230 μg/ml e 160 μg/ml de Cry1Ia12 e Cry8, respectivamente, enquanto que para larvas de S. frugiperda, apenas Cry1Ia12 foi tóxica causando mortalidade de 50% com 5 μg/ml. Todos estes estudos contribuirão para o desenvolvimento de plantas transgênicas de algodão, bem como para a geração de novas moléculas com maior toxicidade e especificidade utilizando a evolução molecular in vitro (DNA shuffling) destes genes.

Cry toxins or δ-endotoxins, produced by Bacillus thuringiensis, show broad activity against several orders of insects. In addition, they are harmless to mammals, birds, amphibian, and reptiles. Because of these characteristics, several genes have been used in the development of transgenic plants to control pests in important crops. Among them, the cotton crop is very important in Brazil and it has the cotton boll weevil, Anthonomus grandis, and the fall armyworm, Spodoptera frugiperda, as the major pests in this crop, which cause several economic damages. The objective of this work was: to characterize a Bt strain (S811), which is toxic towards S. frugiperda and A. grandis, to identify and clone the coding genes of the Cry toxins with potential to control these pests, to express the genes in Escherichia coli heterologous system, and to test the toxicity of the recombinant proteins towards the reported pests. Electronic microscopic analysis revealed the presence of bipyramidal and spherical crystals and SDS-PAGE analysis showed proteins with 140 kDa and 80 kDa of molecular weight mass. Further gene characterization, using specific primer sets to detect cry genes, identified three genes, cry1Ab, cry1Ia e cry8, although the cry1Ia e cry8 were the genes of major interest. The cry8 gene was isolated through TAIL-PCR techniques and encodes a protein 58% identical to other Cry8 toxins, while the protein deduced from cry1Ia12 gene showed 99% identity with other Cry1Ia toxins previously described. The cry1A12 and cry8 gene toxic fragments were cloned and expressed in E. coli, and the 70 kDa recombinant proteins of were tested against A. grandis and S. frugiperda. Cry1Ia12 toxin caused 50% mortality at 230 μg/ml and 5 μg/ml towards both A. grandis and S. frugiperda, respectively. Cry8 toxin caused 50% mortality only against A. grandis at 160 μg/ml. In addition to the transgenic cotton development program, these results will permit the generation of new molecules with higher toxicity and specificity for these pests through in vitro molecular evolution (DNA shuffling) of these genes.