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Biologie

交配ミツバチクイーンズへの農薬リスクの評価

Published: March 03, 2021
doi:
10.3791/62316
, , ,
1Invasive Species and Pollinator Health Research Unit,USDA-ARS, 2Carl R. Woese Institute for Genomic Biology,University of Illinois at Urbana-Champaign, 3Neuroscience Program,University of Illinois at Urbana-Champaign, 4Department of Entomology,University of Illinois at Urbana-Champaign

Summary

このプロトコルは、ミツバチの女王とその労働者の世話人を制御された実験室で農薬に暴露し、関連する応答を注意深く監視する方法を確立することによって、農薬がミツバチ(Apis mellifera)の再生にどのような影響を与えるかの理解を深めるために開発されました。

Abstract

ミツバチの現在のリスク評価戦略は、成人または未熟な労働者ミツバチに対して行われた実験室試験に大きく依存していますが、これらの方法はミツバチの女王に対する農薬暴露の影響を正確に捉えていない可能性があります。ミツバチのコロニー内の受精卵の唯一の生産者として、女王は間違いなく機能するコロニーユニットの最も重要な単一のメンバーです。したがって、農薬が女王の健康と生産性にどのような影響を与えるかを理解することは、農薬リスク評価の重要な側面と考えるべきである。ここでは、ミツバチの女王と労働者の女王アテンダントを労働者の食事を通じて投与される農薬ストレッサーに暴露し、続いて実験室での卵の生産を追跡し、クイーンモニタリングケージと呼ばれる特殊なケージを使用して最初のインスターエクロセオンを評価するための適応方法が提示されます。この方法の意図した使用を説明するために、労働者女王アテンダントがイミダクロプリドの致死量を含む食事を与えられ、女王への影響を監視した実験の結果が説明される。

Introduction

農業製品に対する世界的な需要の増加のために、現代の農業慣行は、多くの場合、作物の収量を減らすか、害を与えることが知られている多数の害虫を制御するために農薬の使用を必要とします1.同時に、多くの果物、野菜、ナッツ作物の生産者は、豊富な作物収量を確保するために、商業ミツバチのコロニーによって提供される受粉サービスに依存しています2.これらの慣行は、ミツバチ(Apis mellifera)を含む受粉者が有害なレベルの残留農薬3にさらされる可能性があります。同時に、ミツバチのコロニーにおける寄生バロアデストラクタダニの侵入の広範な存在は、しばしば養蜂家がミチサイドでじんましんを治療することを必要とし、コロニー4、5、6の健康と長寿にも悪影響を及ぼす可能性がある。農薬製品の有害な影響を軽減し、軽減するためには、その実施前にミツバチの安全性を十分に評価して、有益な昆虫を保護するための推奨を行う必要があります。

現在、環境保護庁(EPA)は、ミツバチの農薬暴露に対する段階的なリスク評価戦略に依存しており、これは成虫ミツバチと時にはミツバチの幼虫7に対する実験室試験を伴う。低層のラボテストで毒性の問題を緩和できない場合は、より高い層フィールドとセミフィールドテストが推奨される場合があります。これらの実験室試験は、農薬が労働者の長寿に及ぼす潜在的な影響に関する貴重な洞察を提供するが、彼らは必ずしも生物学的に8と行動的に9の労働者とは大きく異なる女王への影響を予測する必要はない。さらに、農薬が死亡率を超えた昆虫に及ぼす影響は数多くあり、コロニーユニット10,11として機能する協調行動に依存する社会的昆虫にかなりの影響を及ぼす可能性がある。

死亡率は農薬農薬12の最も一般的な効果と考えられているが、これらの製品は、変化した行動13、14、15、16、忌避性または誘致性17、18、19、摂食パターンの変化を含む標的と非標的節足動物の両方に幅広い影響を及ぼす可能性がある20、21、22 、および増加または減少したfecundity20、21、22、23、24、25。社会的昆虫の場合、これらの効果は、コロニー相互作用および機能11を全身的に破壊する可能性がある。これらの機能のうち、コロニーユニット9の残りの部分で支えられている単一の産卵クイーンに大きく依存している再生は、農薬暴露による摂動に対して特に脆弱である可能性がある。

未熟な女王に対して行われた研究は、殺虫剤への発達暴露が成人の女王の行動、生理学、生存26、27に影響を与えることを実証した。同様に、完全または縮小された大きさのコロニーを使用した研究は、農薬が交配の成功を減少させることによって成体ミツバチの女王に影響を与えることができることを実証しました28,卵位を減少させます29, そして、25,30,31を生産した卵の生存率を減少させます.これらの現象は、主に利用可能な実験室の方法の欠如のために、コロニー全体を使用せずに観察することは以前は困難でした。しかしながら、クイーンモニタリングケージ(QMC)32を用いて厳しく管理された実験室条件下での女王の卵位位置を研究する方法は、最近、アグロケミカルが女王の胎児性33に及ぼす影響を調べるために適応されている。ここでは、これらの技術について、QMCにおける労働者の食事消費量を測定および追跡するための追加の方法と共に詳細に説明する。

これらの方法は、通常コロニー34の中に存在する数万人に対して、農薬の正確な用量を大幅に減少させるため、フルサイズのコロニーを必要とする実験よりも有利であり、その後、女王を提供する。この暴露技術は、コロニー内で女王が自分自身を養い、労働者にダイエット9を提供することに頼るので、クイーンズが現実世界のシナリオで経験する中古暴露を反映しています。同様に、女王は一般的に交配便35のためのコロニー再生(群れ)の間を除いてハイブを離れないでください。交尾ミツバチの女王は、商業女王ブリーダーから購入し、一晩出荷することができます。通常、女王ブリーダーは、彼らが成功した交配の兆候として取られる卵を産み始めたことを確認した直後に女王を販売しています。クイーンの年齢や関連性に関するより正確な情報が必要な場合は、研究者は注文を出す前に女王ブリーダーに相談することができます。

QMCはミツバチの女王のオビポジションと卵の孵化率32、33の正確な観察と定量化を可能にし、農薬暴露が女王の胎児性に及ぼす影響に関連する貴重なデータを生み出す。ここで提示される代表的な結果は、全身性神経毒性剤ネオニコチノイド農薬イミダクロプリド36の分野関連濃度への慢性曝露下におけるQMCにおける排卵、食事消費、および胚生存率を定量する実験について説明する。一度適用されると、イミダクロプリドは植物組織37に移設し、かつ残基が多数の生花粉植物38、39、40の花粉および蜜を検出された。イミダクロプリドへの暴露は、採餌性能16の障害、免疫機能41の障害、およびコロニー拡張および生存率の低下率42、43を含むミツバチに対する有害な影響の広い範囲を有することができる。ここでは、イミダクロプリドは、フィールド実験がミツバチの女王のオビ位置に影響を与えることができることを示しているので、試験物質として使用するために選択されました29

Protocol

1. QMCアセンブリ 図1Bに示すように、単一の産卵板(ELP)を挿入して部品(図1A)からQMCを組み立てます。作業者がケージに追加されるまでフィーダーチューブを追加しないでください。ラボグレードのテープで4つのフィーダー穴を一時的にカバーします。 女王の除外器と給餌室のドアを給餌室の上に挿入して、女王が給餌室に入り、治療…

Representative Results

卵の生産は、卵の生産と治療群あたり15ケージの1日1回の観測で、上記のように組み立てられ、維持されたQMCで監視されました。主にカルニオラン株の新婚女王は、女王ブリーダーから一晩購入し、出荷され、ミツバチの労働者は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の蜂研究施設で標準的な商業方法に従って維持された3つのコロニーから得られました。ここでは、 4つの食事療法群が使…

Discussion

女性の孤独な昆虫の女性だけでなく、ユー社会的な昆虫のコロニーの女王は、そのような農薬25、28、29、30、33などの非生物的ストレッサーの影響を受けることができます。ミツバチでは、農薬が女王に及ぼす影響は、介護の変化や労働者ミツバチによる授乳によって起?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

エイミー・キャッシュ・アーメド博士,ナサナエル・J・ビーチ,アリソン・L・サンキー博士の支援に感謝します。本書に記載されている商号または商用製品の言及は、特定の情報を提供する目的のみを目的としており、米国農務省の推薦または承認を意味するものではありません。USDAは機会均等プロバイダーと雇用主です。この研究は、国防高等研究プロジェクト庁#HR0011-16-2-0019からジーン・E・ロビンソンとハイミン・ジャオ、USDAプロジェクト2030-21000-001-00-D、イリノイ大学アーバナ・シャンパインのコミュニティ・カレッジ・学生のための平眼性可塑性研究経験によって支えられました。

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
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Referenzen

  1. Hedlund, J., Longo, S. B., York, R. Agriculture, pesticide use, and economic development: A global examination (1990-2014). Rural Sociology. 85 (2), 519-544 (2020).
  2. Calderone, N. W. Insect pollinated crops, insect pollinators and US agriculture: Trend analysis of aggregate data for the period 1992-2009. PLOS ONE. 7 (5), 37235 (2012).
  3. Johnson, R. M., Ellis, M. D., Mullin, C. A., Frazier, M. Pesticides and honey bee toxicity – USA. Apidologie. 41 (3), 312-331 (2010).
  4. Walsh, E. M., Sweet, S., Knap, A., Ing, N., Rangel, J. Queen honey bee (Apis mellifera) pheromone and reproductive behavior are affected by pesticide exposure during development. Behavioral Ecology and Sociobiology. 74 (3), 33 (2020).
  5. Zhu, W., Schmehl, D. R., Mullin, C. A., Frazier, J. L. Four Common Pesticides, Their Mixtures and a Formulation Solvent in the Hive Environment Have High Oral Toxicity to Honey Bee Larvae. PLoS ONE. 9 (1), 77547 (2014).
  6. Fisher, A., Rangel, J. Exposure to pesticides during development negatively affects honey bee (Apis mellifera) drone sperm viability. PLoS ONE. 13 (12), 0208630 (2018).
  7. How we assess risks to pollinators. US EPA Available from: https://www.epa.gov/pollinator-protection/how-we-assess-risk-polliators (2013)
  8. Snodgrass, R. E. . Anatomy of the honey bee. , (1956).
  9. Allen, M. D. The honeybee queen and her attendants. Animal Behaviour. 8 (3), 201-208 (1960).
  10. Hölldobler, B., Wilson, E. O. . The superorganism: The beauty, elegance, and strangeness of insect societies. , (2009).
  11. Berenbaum, M. R., Liao, L. -. H. Honey bees and environmental stress: Toxicologic pathology of a superorganism. Toxicologic Pathology. 47 (8), 1076-1081 (2019).
  12. Yu, S. J. . The toxicology and biochemistry of insecticides. , (2014).
  13. Ciarlo, T. J., Mullin, C. A., Frazier, J. L., Schmehl, D. R. Learning impairment in honey bees caused by agricultural spray adjuvants. PloS One. 7 (7), 40848 (2012).
  14. Fourrier, J., et al. Larval exposure to the juvenile hormone analog pyriproxyfen disrupts acceptance of and social behavior performance in adult honeybees. PLoS ONE. 10 (7), (2015).
  15. Morfin, N., Goodwin, P. H., Correa-Benitez, A., Guzman-Novoa, E. Sublethal exposure to clothianidin during the larval stage causes long-term impairment of hygienic and foraging behaviours of honey bees. Apidologie. 50 (5), 595-605 (2019).
  16. Colin, T., Meikle, W. G., Wu, X., Barron, A. B. Traces of a neonicotinoid induce precocious foraging and reduce foraging performance in honey bees. Environmental Science & Technology. 53 (14), 8252-8261 (2019).
  17. Liao, L. H., Wu, W. Y., Berenbaum, M. R. Behavioral responses of honey bees (Apis mellifera) to natural and synthetic xenobiotics in food. Scientific Reports. 7 (1), 1-8 (2017).
  18. Kessler, S. C., et al. Bees prefer foods containing neonicotinoid pesticides. Nature. 521 (7550), 74-76 (2015).
  19. Metcalf, R. L., Luckmann, W. H. . Introduction to Insect Pest Management. , (1994).
  20. Duncan, J. Post-treatment effects of sublethal doses of dieldrin on the mosquito Aedes aegypti L. Annals of Applied Biology. 52 (1), 1-6 (1963).
  21. Haynes, K. F. Sublethal effects of neurotoxic insecticides on insect behavior. Annual Review of Entomology. 33 (1), 149-168 (1988).
  22. James, D. G., Price, T. S. Fecundity in twospotted spider mite (Acari: Tetranychidae) is increased by direct and systemic exposure to imidacloprid. Journal of Economic Entomology. 95 (4), 729-732 (2002).
  23. Hodjat, S. H. Effects of sublethal doses of insecticides and of diet and crowding on Dysdercus fasciatus Sign. (Hem., Pyrrhocoridae). Bulletin of Entomological Research. 60 (3), 367-378 (1971).
  24. Feng, W. B., Bong, L. J., Dai, S. M., Neoh, K. B. Effect of imidacloprid exposure on life history traits in the agricultural generalist predator Paederus beetle: Lack of fitness cost but strong hormetic effect and skewed sex ratio. Ecotoxicology and Environmental Safety. 174, 390-400 (2019).
  25. Milchreit, K., Ruhnke, H., Wegener, J., Bienefeld, K. Effects of an insect growth regulator and a solvent on honeybee (Apis mellifera L.) brood development and queen viability. Ecotoxicology. 25 (3), 530-537 (2016).
  26. Haarmann, T., Spivak, M., Weaver, D., Weaver, B., Glenn, T. Effects of fluvalinate and coumaphos on queen honey bees (Hymenoptera: Apidae) in two commercial queen rearing operations. Journal of Economic Entomology. 95 (1), 28-35 (2002).
  27. Pettis, J. S., Collins, A. M., Wilbanks, R., Feldlaufer, M. F. Effects of coumaphos on queen rearing in the honey bee, Apis mellifera. Apidologie. 35 (6), 605-610 (2004).
  28. Thompson, H. M., Wilkins, S., Battersby, A. H., Waite, R. J., Wilkinson, D. The effects of four insect growth-regulating (IGR) insecticides on honeybee (Apis mellifera L.) colony development, queen rearing and drone sperm production. Ecotoxicology. 14 (7), 757-769 (2005).
  29. Wu-Smart, J., Spivak, M. Sub-lethal effects of dietary neonicotinoid insecticide exposure on honey bee queen fecundity and colony development. Scientific Reports. 6 (1), 1-11 (2016).
  30. Chen, Y. W., Wu, P. S., Yang, E. C., Nai, Y. S., Huang, Z. Y. The impact of pyriproxyfen on the development of honey bee (Apis mellifera L.) colony in field. Journal of Asia-Pacific Entomology. 19 (3), 589-594 (2016).
  31. Fine, J. D., Mullin, C. A., Frazier, M. T., Reynolds, R. D. Field residues and effects of the insect growth regulator novaluron and its major co-formulant n-methyl-2-pyrrolidone on honey bee reproduction and development. Journal of Economic Entomology. 110 (5), 1993-2001 (2017).
  32. Fine, J. D., et al. Quantifying the effects of pollen nutrition on honey bee queen egg laying with a new laboratory system. PLoS ONE. 13 (9), 0203444 (2018).
  33. Fine, J. D. Evaluation and comparison of the effects of three insect growth regulators on honey bee queen oviposition and egg eclosion. Ecotoxicology and Environmental Safety. 205, 111142 (2020).
  34. The Colony and Its Organization. MAAREC – Mid Atlantic Apiculture Research & Extension Consortium Available from: https://agdev.anr.udel.edu/maarec/honey-bee-biology/the-colony-and-its-organization/ (2020)
  35. Winston, M. L. . The biology of the honey bee. , (1991).
  36. Mullins, J. W. Pest control with enhanced environmental safety. Imidacloprid. 524, 183-198 (1993).
  37. Sur, R., Stork, A. Uptake, translocation and metabolism of imidacloprid in plants. Bulletin of Insectology. 56 (1), 35-40 (2003).
  38. Dively, G. P., Kamel, A. Insecticide residues in pollen and nectar of a cucurbit crop and their potential exposure to pollinators. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 60 (18), 4449-4456 (2012).
  39. Goulson, D. Review: An overview of the environmental risks posed by neonicotinoid insecticides. Journal of Applied Ecology. , 977-987 (2014).
  40. Krischik, V., Rogers, M., Gupta, G., Varshney, A. Soil-applied imidacloprid translocates to ornamental flowers and reduces survival of adult Coleomegilla maculata, Harmonia axyridis, and Hippodamia convergens lady beetles, and larval Danaus plexippus and Vanessa cardui butterflies. PLoS ONE. 10 (3), (2015).
  41. Prisco, G. D., et al. Neonicotinoid clothianidin adversely affects insect immunity and promotes replication of a viral pathogen in honey bees. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (46), 18466-18471 (2013).
  42. Dively, G. P., Embrey, M. S., Kamel, A., Hawthorne, D. J., Pettis, J. S. Assessment of chronic sublethal effects of imidacloprid on honey bee colony health. PLoS ONE. 10 (3), 01118748 (2015).
  43. Sandrock, C., Tanadini, M., Tanadini, L. G., Fauser-Misslin, A., Potts, S. G., Neumann, P. Impact of chronic neonicotinoid exposure on honeybee colony performance and queen supersedure. PLoS ONE. 9 (8), 103592 (2014).
  44. Brodschneider, R., Riessberger-Gallé, U., Crailsheim, K. Flight performance of artificially reared honeybees (Apis mellifera). Apidologie. 40 (4), 441-449 (2009).
  45. Harrison, J. M. Caste-specific changes in honeybee flight capacity. Physiological Zoology. 59 (2), 175-187 (1986).
  46. Mackensen, O. Effect of carbon dioxide on initial oviposition of artificially inseminated and virgin queen bees. Journal of Economic Entomology. 40 (3), 344-349 (1947).
  47. OECD. . OECD Test No. 245: Honey bee (Apis Mellifera L.), chronic oral toxicity test (10-Day Feeding), OECD guidelines for the testing of chemicals, section 2. , (2017).
  48. . ECOTOX Home Available from: https://cfpub.epa.gov/ecotox/ (2020)
  49. Collins, A. M. Variation in time of egg hatch by the honey bee, Apis mellifera (Hymenoptera: Apidae). Annals of the Entomological Society of America. 97 (1), 140-146 (2004).
  50. Santomauro, G., Engels, W. Sexing of newly hatched live larvae of the honey bee, Apis mellifera, allows the recognition of diploid drones. Apidologie. 33 (3), 283-288 (2002).
  51. Tang, W., Hu, Z., Muallem, H., Gulley, M. L. Quality assurance of RNA expression profiling in clinical laboratories. The Journal of Molecular Diagnostics JMD. 14 (1), 1-11 (2012).
  52. Henry, M., et al. Reconciling laboratory and field assessments of neonicotinoid toxicity to honeybees. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 282 (1819), (2015).
  53. Singaravelan, N., Nee’man, G., Inbar, M., Izhaki, I. Feeding responses of free-flying honeybees to secondary compounds mimicking floral nectars. Journal of Chemical Ecology. 31 (12), 2791-2804 (2005).
  54. Brown, L. A., Ihara, M., Buckingham, S. D., Matsuda, K., Sattelle, D. B. Neonicotinoid insecticides display partial and super agonist actions on native insect nicotinic acetylcholine receptors. Journal of Neurochemistry. 99 (2), 608-615 (2006).
  55. Dupuis, J. P., Gauthier, M., Raymond-Delpech, V. Expression patterns of nicotinic subunits α2, α7, α8, and β1 affect the kinetics and pharmacology of ACh-induced currents in adult bee olfactory neuropiles. Journal of Neurophysiology. 106 (4), 1604-1613 (2011).
  56. Crailsheim, K., et al. Pollen consumption and utilization in worker honeybees (Apis mellifera carnica): Dependence on individual age and function. Journal of Insect Physiology. 38 (6), 409-419 (1992).
  57. . The Merck Index Online – chemicals, drugs and biologicals Available from: https://www.rsc.org/merck-index (2020)
  58. Trostanetsky, A., Kostyukovsky, M. Note: Transovarial activity of the chitin synthesis inhibitor novaluron on egg hatch and subsequent development of larvae of Tribolium castaneum. Phytoparasitica. 36 (1), 38-41 (2008).
  59. Medina, P., Smagghe, G., Budia, F., del Estal, P., Tirry, L., Viñuela, E. Significance of penetration, excretion, and transovarial uptake to toxicity of three insect growth regulators in predatory lacewing adults. Archives of Insect Biochemistry and Physiology. 51 (2), 91-101 (2002).
  60. Kim, S. H. S., Wise, J. C., Gökçe, A., Whalon, M. E. Novaluron causes reduced egg hatch after treating adult codling moths, Cydia pomenella: Support for transovarial transfer. Journal of Insect Science. 11, (2011).
  61. Joseph, S. V. Transovarial effects of insect growth regulators on Stephanitis pyrioides (Hemiptera: Tingidae). Pest Management Science. 75 (8), 2182-2187 (2019).
  62. Tasei, J. N. Effects of insect growth regulators on honey bees and non-Apis bees. A review. Apidologie. 32 (6), 527-545 (2001).
  63. Haydak, M. H. Honey Bee Nutrition. Annual Review of Entomology. 15 (1), 143-156 (1970).
  64. Böhme, F., Bischoff, G., Zebitz, C. P. W., Rosenkranz, P., Wallner, K. From field to food-will pesticide-contaminated pollen diet lead to a contamination of royal jelly. Apidologie. 49 (1), 112-119 (2018).

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Fine, J. D., Torres, K. M., Martin, J., Robinson, G. E. Assessing Agrochemical Risk to Mated Honey Bee Queens. J. Vis. Exp. (169), e62316, doi:10.3791/62316 (2021).
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