Bewertung des agrochemischen Risikos für gepaarte Honigbienenköniginnen

Summary

Dieses Protokoll wurde entwickelt, um das Verständnis dafür zu verbessern, wie Agrochemikalien die Reproduktion von Honigbienen (Apis mellifera) beeinflussen, indem Methoden etabliert werden, um Honigbienenköniginnen und ihre Arbeiterpfleger in einer kontrollierten Laborumgebung Agrochemikalien auszusetzen und ihre relevanten Reaktionen sorgfältig zu überwachen.

Abstract

Aktuelle Risikobewertungsstrategien für Honigbienen stützen sich stark auf Labortests, die an erwachsenen oder unreifen Arbeitsbienen durchgeführt wurden, aber diese Methoden erfassen möglicherweise nicht genau die Auswirkungen der agrochemischen Exposition auf Honigbienenköniginnen. Als einzige Produzentin von befruchteten Eiern in einer Honigbienenkolonie ist die Königin wohl das wichtigste Einzelmitglied einer funktionierenden Kolonieeinheit. Daher sollte das Verständnis, wie sich Agrochemikalien auf die Gesundheit und Produktivität von Königinnen auswirken, als kritischer Aspekt der Risikobewertung von Pestiziden angesehen werden. Hier wird eine angepasste Methode vorgestellt, um Honigbienenköniginnen und Arbeiterköniginnen Begleitern agrochemischen Stressoren auszusetzen, die durch eine Arbeiterdiät verabreicht werden, gefolgt von der Verfolgung der Eierproduktion im Labor und der Beurteilung der ersten Instar-Eklosion mit einem speziellen Käfig, der als Queen Monitoring Cage bezeichnet wird. Um den Verwendungszweck der Methode zu veranschaulichen, werden die Ergebnisse eines Experiments beschrieben, in dem Arbeiterinnenbegleiterinnen mit subletalen Dosen von Imidacloprid gefüttert und die Auswirkungen auf Königinnen überwacht wurden.

Introduction

Aufgrund der weltweit gestiegenen Nachfrage nach landwirtschaftlichen Erzeugnissen erfordern moderne landwirtschaftliche Praktiken häufig den Einsatz von Agrochemikalien zur Bekämpfung zahlreicher Schädlinge, von denen bekannt ist, dass sie die Ernteerträge verringern oder schädigen¹. Gleichzeitig verlassen sich die Erzeuger vieler Obst-, Gemüse- und Nusskulturen auf die Bestäubungsdienste kommerzieller Honigbienenvölker, um reichlich Ernteerträge zu erzielen². Diese Praktiken können dazu führen, dass Bestäuber, einschließlich Honigbienen (Apis mellifera), schädlichen Pestizidrückständen ausgesetzt sind³. Gleichzeitig erfordert das weit verbreitete Vorhandensein von parasitärem Varroa destructor Milbenbefall in Honigbienenvölkern häufig, dass Imker ihre Bienenstöcke mit Mitiziden behandeln, was sich auch negativ auf die Gesundheit und Langlebigkeit der Kolonie auswirken kann^4,5,6. Um die schädlichen Auswirkungen agrochemischer Produkte zu reduzieren und zu mildern, ist es notwendig, ihre Sicherheit für Honigbienen vor ihrer Umsetzung vollständig zu bewerten, damit Empfehlungen für ihre Verwendung zum Schutz nützlicher Insekten abgegeben werden können.

Derzeit stützt sich die Environmental Protection Agency (EPA) auf eine abgestufte Risikobewertungsstrategie für die Pestizidexposition gegenüber Honigbienen, die Labortests an erwachsenen Bienen und manchmal Honigbienenlarven umfasst⁷. Wenn Labortests der unteren Ebene die Bedenken hinsichtlich der Toxizität nicht ausräumen, können Feld- und Halbfeldtests auf höherer Ebene empfohlen werden. Während diese Labortests wertvolle Einblicke in die möglichen Auswirkungen von Agrochemikalien auf die Langlebigkeit der Arbeiter liefern, sind sie nicht unbedingt prädiktiv für ihre Auswirkungen auf Königinnen, die sich biologisch signifikant von Arbeiterinnen unterscheiden⁸ und verhaltensmäßig⁹. Darüber hinaus gibt es zahlreiche potenzielle Auswirkungen von Agrochemikalien auf Insekten über die Mortalität hinaus, die erhebliche Folgen für soziale Insekten haben können, die auf koordinierte Verhaltensweisen angewiesen sind, um als Kolonieeinheit zu fungieren^10,11.

Obwohl die Mortalität die am häufigsten in Betracht gezogene Wirkung von agrochemischen Pestiziden ist¹², können diese Produkte eine breite Palette von Auswirkungen sowohl auf Ziel- als auch auf Nichtzielarthropoden^haben,einschließlich verändertem Verhalten^{13,14 , 15,16}, Abstoßung oder Attraktivität^17,18,19, Veränderungen der Fütterungsmuster^20,21,22 , und erhöhte oder verminderte Fruchtbarkeit^20,21^,22,23,24,25. Für soziale Insekten können diese Effekte die Interaktionen und Funktionen der Kolonien systemisch stören¹¹. Von diesen Funktionen kann die Fortpflanzung, die stark von einer einzigen eierlegenden Königin abhängig ist, die vom Rest der Kolonieeinheit⁹unterstützt wird, besonders anfällig für Störungen aufgrund von Pestizidexposition sein.

Studien, die an unreifen Königinnen durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Entwicklungsexposition gegenüber Mitiziden das Verhalten, die Physiologie und das Überleben der erwachsenen Königin beeinflussen kann^26,27. In ähnlicher Weise haben Studien mit vollen oder reduzierten Kolonien gezeigt, dass Agrochemikalien erwachsene Honigbienenköniginnen beeinflussen können, indem sie den Paarungserfolg²⁸verringern, die Eiablage²⁹verringern und die Lebensfähigkeit der produzierten Eier verringern^25,30,31. Diese Phänomene waren bisher ohne den Einsatz ganzer Kolonien schwer zu beobachten, was vor allem auf einen Mangel an verfügbaren Labormethoden zurückzuführen war. Eine Methode zur Untersuchung der Eiablage von Königinnen unter streng kontrollierten Laborbedingungen unter Verwendung von Queen Monitoring Cages (QMC)³² wurde jedoch kürzlich angepasst, um die Auswirkungen von Agrochemikalien auf die Fruchtbarkeit der Königin zu untersuchen³³. Hier werden diese Techniken zusammen mit zusätzlichen Methoden zur Messung und Verfolgung des Nahrungsverbrauchs der Arbeitnehmer in QMCs ausführlich beschrieben.

Diese Methoden sind vorteilhafter als Experimente, die Kolonien in voller Größe erfordern, da sie die Verabreichung präziser Dosen von Agrochemikalien an eine stark reduzierte Anzahl von Arbeitern im Vergleich zu den Zehntausenden ermöglichen, die typischerweise in einer Kolonie³⁴vorhanden sind, die dann die Königin versorgen. Diese Expositionstechnik spiegelt die Exposition aus zweiter Hand wider, die Königinnen in realen Szenarien erleben würden, da sich Königinnen innerhalb einer Kolonie nicht selbst ernähren und sich auf Arbeiter verlassen, um sie mit Diät zu versorgen⁹. Ebenso verlassen Königinnen den Bienenstock im Allgemeinen nicht, außer während der Koloniereproduktion (Schwärmen) für Paarungsflüge³⁵. Gepaarte Honigbienenköniginnen können von kommerziellen Königinnenzüchtern gekauft und über Nacht verschickt werden. Typischerweise verkaufen Königinnenzüchter Königinnen direkt, nachdem sie bestätigt haben, dass sie mit der Eiablage begonnen haben, was als Hinweis auf eine erfolgreiche Paarung angesehen wird. Wenn genauere Informationen über das Alter oder die Verwandtschaft der Königin benötigt werden, können sich die Forscher vor der Bestellung mit dem Königinzüchter beraten.

QMCs ermöglichen eine genaue Beobachtung und Quantifizierung der Eiablage von Honigbienenköniginnen und der Brutraten von Eiern^32,33, was wertvolle Daten über die Auswirkungen der agrochemischen Exposition auf die Fruchtbarkeit der Königin liefert. Die hier vorgestellten repräsentativen Ergebnisse beschreiben ein Experiment zur Quantifizierung von Eiablage, Diätkonsum und Embryonenlebensfähigkeit in QMCs unter chronischer Exposition gegenüber feldrelevanten Konzentrationen des systemischen Neurotoxikanten Neonicotinoid-Pestizids Imidacloprid³⁶. Einmal aufgetragen, transloziert Imidacloprid in Pflanzengewebe³⁷, und Rückstände wurden die Pollen und der Nektar zahlreicher bienenbestäubter Pflanzen^38,39,40nachgewiesen . Die Exposition gegenüber Imidacloprid kann eine breite Palette von schädlichen Auswirkungen auf Honigbienen haben, einschließlich einer beeinträchtigten Futtersuche^16,einer beeinträchtigten Immunfunktion⁴¹und einer verringerten Rate der Kolonieausdehnung und des Überlebens^42,43. Hier wurde Imidacloprid für die Verwendung als Testsubstanz ausgewählt, da Feldexperimente gezeigt haben, dass es die Eiablage der Honigbienenkönigin beeinflussen kann²⁹

Protocol

1. QMC-Montage Montieren Sie QMCs aus Teilen (Abbildung 1A) mit einer einzigen Eiablageplatte (ELP), die wie in Abbildung 1Bgezeigt eingefügt wird. Fügen Sie feeder Tubes erst hinzu, nachdem die Arbeiter in den Käfig gegeben wurden. Bedecken Sie die 4 Einzugslöcher vorübergehend mit Klebeband in Laborqualität. Führen Sie den Königinnenausschluss und die Tür der Futterkammer über die Futterkammer ein, um zu verhindern, dass die Köni…

Representative Results

Die Produktion von Eiern wurde in QMCs überwacht, die wie oben beschrieben zusammengestellt und aufrechterhalten wurden, mit einmal täglichen Beobachtungen der Eierproduktion und 15 Käfigen pro Behandlungsgruppe. Neu gepaarte Königinnen von hauptsächlich krainer Beständen wurden gekauft und über Nacht von einem Königinnenzüchter verschifft, und Honigbienenarbeiter wurden aus 3 Kolonien gewonnen, die nach kommerziellen Standardmethoden in der Bienenforschungseinrichtung der Universität von Illinois Urbana-Champa…

Discussion

Die Fruchtbarkeit weiblicher Solitärinsekten sowie Von Königinnen in eusozialen Insektenkolonien kann durch abiotische Stressoren wie Agrochemikalien²⁵,^28,29,30,33beeinflusst werden . Bei Honigbienen können die Auswirkungen von Agrochemikalien auf Königinnen indirekt sein, da sie durch Veränderungen in ihrer Pflege und Fütterung durch Arbeiterbienen auft…

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