Beoordeling van agrochemisch risico voor gepaarde honingbijenkoninginnen

Summary

Dit protocol is ontwikkeld om het begrip te vergroten van hoe agrochemicaliën de reproductie van honingbijen(Apis mellifera)beïnvloeden door methoden vast te stellen om honingbijenkoninginnen en hun werkverzorgers bloot te stellen aan agrochemicaliën in een gecontroleerde, laboratoriumomgeving en zorgvuldig hun relevante reacties te volgen.

Abstract

De huidige risicobeoordelingsstrategieën voor honingbijen zijn sterk afhankelijk van laboratoriumtests die worden uitgevoerd op volwassen of onvolwassen werkbijen, maar deze methoden kunnen de effecten van agrochemische blootstelling op honingbijenkoninginnen mogelijk niet nauwkeurig vastleggen. Als de enige producent van bevruchte eieren in een honingbijenkolonie, is de koningin misschien wel het belangrijkste afzonderlijke lid van een functionerende kolonie-eenheid. Daarom moet het begrijpen van hoe agrochemicaliën de gezondheid en productiviteit van koninginnen beïnvloeden, worden beschouwd als een cruciaal aspect van de risicobeoordeling van pesticiden. Hier wordt een aangepaste methode gepresenteerd om honingbijenkoninginnen en werkkoninginnen te blootstellen aan agrochemische stressoren toegediend via een werksterdieet, gevolgd door het volgen van de eiproductie in het laboratorium en het beoordelen van de eerste instar eclosie met behulp van een gespecialiseerde kooi, aangeduid als een Queen Monitoring Cage. Om het beoogde gebruik van de methode te illustreren, worden de resultaten beschreven van een experiment waarbij werksterverzorgers een dieet kregen met subletale doses imidacloprid en effecten op koninginnen werden gecontroleerd.

Introduction

Vanwege de toegenomen wereldwijde vraag naar landbouwproducten vereisen moderne landbouwpraktijken vaak het gebruik van agrochemicaliën om tal van plagen te bestrijden waarvan bekend is dat ze de gewasopbrengsten verminderen of schaden¹. Tegelijkertijd vertrouwen de telers van veel fruit-, groente- en notengewassen op de bestuivingsdiensten van commerciële honingbijenkolonies om overvloedige gewasopbrengsten te garanderen². Deze praktijken kunnen ertoe leiden dat bestuivers, waaronder honingbijen (Apis mellifera), worden blootgesteld aan schadelijke niveaus van residuen van bestrijdingsmiddelen³. Tegelijkertijd vereist de wijdverspreide aanwezigheid van parasitaire Varroa destructor-mijtbesmettingen in honingbijenkolonies vaak dat imkers hun bijenkorven behandelen met miticiden, wat ook negatieve effecten kan hebben op de gezondheid en levensduur van de kolonie^{4,5 ,6}. Om schadelijke effecten van agrochemische producten te verminderen en te beperken, is het noodzakelijk om hun veiligheid voor honingbijen volledig te evalueren voordat ze worden geïmplementeerd, zodat aanbevelingen voor het gebruik ervan kunnen worden gedaan om nuttige insecten te beschermen.

Momenteel vertrouwt het Environmental Protection Agency (EPA) op een gelaagde risicobeoordelingsstrategie voor blootstelling aan honingbijenbestrijdingsmiddelen, die laboratoriumtests op volwassen bijen en soms honingbijlarven omvat⁷. Indien laboratoriumtests van een lager niveau de bezorgdheid over toxiciteit niet wegnemen, kunnen veld- en semi-veldtests van een hoger niveau worden aanbevolen. Hoewel deze laboratoriumtests waardevol inzicht bieden in de mogelijke effecten van agrochemicaliën op de levensduur van werknemers, zijn ze niet noodzakelijkerwijs voorspellend voor hun effecten op koninginnen, die biologisch aanzienlijk verschillen van werknemers⁸ en gedragsmatig⁹. Bovendien zijn er tal van potentiële effecten van agrochemicaliën op insecten voorbij de mortaliteit, die aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor sociale insecten die afhankelijk zijn van gecoördineerd gedrag om te functioneren als een kolonie-eenheid^10,11.

Hoewel sterfte het meest overwogen effect is van agrochemische pesticiden¹², kunnen deze producten een breed scala aan effecten hebben op zowel doel- als niet-doel geleedpotigen, waaronder veranderd gedrag^13,14,15,16,afstoting of aantrekkingskracht^17,18,19,veranderingen in voedingspatronen^20,21,22 , en verhoogde of verminderde vruchtbaarheid^{20,21,22,23,24,25}. Voor sociale insecten kunnen deze effecten systemisch kolonie-interacties en -functies verstoren¹¹. Van deze functies kan reproductie, die sterk afhankelijk is van een enkele eierleggende koningin ondersteund door de rest van de kolonie-eenheid⁹, bijzonder kwetsbaar zijn voor verstoring als gevolg van blootstelling aan pesticiden.

Studies uitgevoerd op onvolwassen koninginnen hebben aangetoond dat ontwikkelingsblootstelling aan miticiden het gedrag, de fysiologie en de overleving van volwassen koninginnen kan beïnvloeden^26,27. Evenzo hebben studies met volledige of kleinere kolonies aangetoond dat agrochemicaliën volwassen honingbijenkoninginnen kunnen beïnvloeden door het paringssucces²⁸te verminderen, de ovipositie²⁹te verminderen en de levensvatbaarheid van de geproduceerde eieren te verminderen^25,30,31. Deze verschijnselen waren voorheen moeilijk waar te nemen zonder het gebruik van hele kolonies, grotendeels te wijten aan een gebrek aan beschikbare laboratoriummethoden. Een methode om de ovipositie van koninginnen onder streng gecontroleerde laboratoriumomstandigheden te bestuderen met behulp van Queen Monitoring Cages (QMC)³² is onlangs echter aangepast om de effecten van agrochemicaliën op de vruchtbaarheid van koninginnen te onderzoeken³³. Hier worden deze technieken in detail beschreven, samen met aanvullende methoden om de consumptie van het dieet van werknemers in MFC’s te meten en te volgen.

Deze methoden zijn voordeliger dan experimenten die kolonies van volledige grootte vereisen, omdat ze de toediening van precieze doses agrochemicaliën mogelijk maken aan een sterk verminderd aantal werknemers in vergelijking met de tienduizenden die meestal aanwezig zijn in een kolonie³⁴, die vervolgens de koningin leveren. Deze belichtingstechniek weerspiegelt de tweedehands blootstelling die koninginnen in reële scenario’s zouden ervaren, omdat koninginnen binnen een kolonie zichzelf niet voeden en vertrouwen op werknemers om hen van dieet te voorzien⁹. Evenzo verlaten koninginnen over het algemeen de korf niet, behalve tijdens koloniereproductie (zwermen) voor paringsvluchten³⁵. Gedekte honingbijenkoninginnen kunnen worden gekocht bij commerciële koninginnenfokkers en ‘s nachts worden verzonden. Meestal verkopen koninginnenfokkers koninginnen direct nadat ze hebben bevestigd dat ze zijn begonnen met het leggen van eieren, wat wordt beschouwd als een indicatie van succesvolle paring. Als meer precieze informatie over de leeftijd of verwantschap van de koningin nodig is, kunnen onderzoekers de koninginnenfokker raadplegen voordat ze een bestelling plaatsen.

MFC’s maken nauwkeurige observatie en kwantificering van de ovipositie van honingbijenkoninginnen en het uitkomen van eieren^32,33mogelijk, wat waardevolle gegevens oplevert met betrekking tot de effecten van agrochemische blootstelling op de vruchtbaarheid van koninginnen. De representatieve resultaten die hier worden gepresenteerd, beschrijven een experiment dat de ovipositie, dieetconsumptie en embryo-levensvatbaarheid in MGM’s kwantificeert bij chronische blootstelling aan veldrelevante concentraties van het systemische neurotoxische neonicotinoïde pesticide imidacloprid³⁶. Eenmaal aangebracht, verplaatst imidacloprid zich naar^{plantenweefsels 37}, en residuen zijn gedetecteerd het stuifmeel en nectar van talrijke bijen bestoven planten^38,39,40. Blootstelling aan imidacloprid kan een breed scala aan schadelijke effecten hebben op honingbijen, waaronder verminderde foerageerprestaties^16,verminderde immuunfunctie⁴¹en verminderde kolonie-uitbreiding en overleving^42,43. Hier werd imidacloprid geselecteerd voor gebruik als teststof omdat veldexperimenten hebben aangetoond dat het de ovipositie van honingbijenkoningin²⁹ kan beïnvloeden

Protocol

1. QMC assemblage Monteer MGM’s uit onderdelen(figuur 1A)met een enkele eierlegplaat (ELP) ingevoegd zoals weergegeven in figuur 1B. Voeg geen voedingsbuizen toe totdat de werknemers aan de kooi zijn toegevoegd. Bedek de 4 feedergaten tijdelijk met tape van laboratoriumkwaliteit. Plaats de koninginnenuitsluiter en de deur van de voerkamer boven de voederkamer om te voorkomen dat de koningin de voederkamer binnengaat en contact maakt met het b…

Representative Results

De productie van eieren werd gemonitord in MGM’s die werden geassembleerd en onderhouden zoals hierboven beschreven met eenmaal daagse observaties van de eiproductie en 15 kooien per behandelingsgroep. Nieuw gedekte koninginnen van voornamelijk Carniolan-aandelen werden ‘s nachts gekocht en verzonden van een koninginnenkweker, en honingbijwerkers werden verkregen uit 3 kolonies die werden onderhouden volgens standaard commerciële methoden in The Bee Research Facility aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign. Hi…

Discussion

De vruchtbaarheid van vrouwelijke solitaire insecten en koninginnen in eusociale insectenkolonies kan worden beïnvloed door abiotische stressoren zoals agrochemicaliën^{25,28,29,30,33}. Bij honingbijen kunnen de effecten van agrochemicaliën op koninginnen indirect zijn, omdat ze kunnen optreden via veranderingen in hun verzorging en voeding door werkbijen. Onz…

Materials

Fluon	BioQuip, Rancho Dominguez, CA	2871A
Honey bee queens	Olivarez Honey Bees, Orland, CA
Imidacloprid	Sigma-Aldritch, St. Louis, MO	37894
MegaBee Powder	MegaBee, San Dieago, CA
Microcentrifuge tubes 2 mL	ThermoFisher Scientific, Waltham, MA	02-682-004
Needles 20 gauge	W. W. Grainger, Lake Forest, IL	5FVK4
Potassium Sulfate	Sigma-Aldritch, St. Louis, MO	P0772
Queen Monitoring Cages	University of Illinois Urbana-Champaign		Patent application number: 20190350175
Sucrose	Sigma-Aldritch, St. Louis, MO	S8501
Universal Microplate Lids	ThermoFisher Scientific, Waltham, MA	5500