Bedömning av agrokemisk risk för parade honungsbidrottningar

Summary

Detta protokoll utvecklades för att öka förståelsen för hur agrokemikalier påverkarhonungsbi ( Apis mellifera) reproduktion genom att fastställa metoder för att exponera honungsbidrottningar och deras arbetares vårdare för jordbrukskemikalier i en kontrollerad laboratoriemiljö och noggrant övervaka deras relevanta svar.

Abstract

Nuvarande riskbedömningsstrategier för honungsbin är starkt beroende av laboratorietester som utförs på vuxna eller omogna arbetsbin, men dessa metoder kanske inte exakt fångar effekterna av agrokemisk exponering på honungsbidrottningar. Som den enda producenten av befruktade ägg inuti en honungsbikoloni är drottningen utan tvekan den viktigaste enskilda medlemmen i en fungerande kolonienhet. Därför bör förståelse för hur agrokemikalier påverkar drottningens hälsa och produktivitet betraktas som en kritisk aspekt av riskbedömningen av bekämpningsmedel. Här presenteras en anpassad metod för att exponera honungsbidrottningar och arbetardrottningsvakter för agrokemiska stressfaktorer som administreras genom en arbetardiet, följt av att spåra äggproduktion i laboratoriet och bedöma första instar-eklosion med hjälp av en specialiserad bur, kallad en Queen Monitoring Cage. För att illustrera metodens avsedda användning beskrivs resultaten av ett experiment där arbetardrottningsvakter matades med diet som innehöll subletala doser av imidakloprid och effekter på drottningar övervakades.

Introduction

På grund av ökad global efterfrågan på jordbruksprodukter kräver moderna jordbruksmetoder ofta användning av jordbrukskemikalier för att kontrollera många skadedjur som är kända för att minska eller skada skördarna¹. Samtidigt förlitar sig odlarna av många frukt-, grönsaks- och nötgrödor på pollineringstjänster som tillhandahålls av kommersiella honungsbikolonier för att säkerställa riklig^{skördeutbyte 2}. Dessa metoder kan leda till att pollinatörer, inklusivehonungsbin ( Apis mellifera), utsätts för skadliga halter av bekämpningsmedelsrester³. Samtidigt kräver den utbredda närvaron av parasitiska Varroa destructor-mmitangrepp i honungsbikolonier ofta biodlare att behandla sina nässelfeber med miticider, vilket också kan utöva negativa effekter på kolonins hälsa och livslängd^4,5,6. För att minska och mildra skadliga effekter av agrokemiska produkter är det nödvändigt att fullt ut utvärdera deras säkerhet för honungsbin innan de implementeras så att rekommendationer för deras användning kan göras för att skydda fördelaktiga insekter.

För närvarande förlitar sig Naturvårdsverket på en stegvis riskbedömningsstrategi för exponering av honungsbibekämpningsmedel, som omfattar laboratorietester på vuxna bin och ibland honungsbilarver⁷. Om laboratorietester på lägre nivå inte minskar oron för toxicitet kan fält- och halvfältstestning rekommenderas. Medan dessa laboratorietester ger värdefull inblick i agrokemikaliernas potentiella effekter på arbetarens livslängd, är de inte nödvändigtvis förutsägande av deras effekter på drottningar, som skiljer sig avsevärt från arbetare biologiskt⁸ och beteendemässigt⁹. Dessutom finns det många potentiella effekter av agrokemikalier på insekter bortom dödlighet, vilket kan få betydande konsekvenser för sociala insekter som förlitar sig på samordnade beteenden för att fungera som en kolonienhet^10,11.

Även om dödlighet är den vanligaste effekten av agrokemiska^{bekämpningsmedel 12}, kan dessa produkter ha ett brett spektrum av effekter på både mål- och icke-mål leddjur inklusive förändrat beteende^13,14,15,16, avstötning eller ryckkraft^17,18,19, förändringar i utfodringsmönster^20,21,22 , och ökad eller minskad fecundity^{20,21,22,23,24,25}. För sociala insekter kan dessa effekter systemiskt störa koloniinteraktioner och funktioner¹¹. Av dessa funktioner kan reproduktion, som är starkt beroende av en enda äggläggande drottning som stöds av resten av kolonienheten⁹, vara särskilt sårbar för störtsamhet på grund av exponering för bekämpningsmedel.

Studier som utförts på omogna drottningar har visat att utvecklingsexponering för miticider kan påverka vuxendrottningsbeteende, fysiologi, överlevnad^26,27. På samma sätt har studier med hjälp av hela eller reducerade kolonier visat att agrokemikalier kan påverka vuxna honungsbidrottningar genom att minska parningsframgången²⁸, minska oviposition²⁹och minska livskraften hos de ägg som produceras^25,30,31. Dessa fenomen har tidigare varit svåra att observera utan användning av hela kolonier, till stor del på grund av brist på tillgängliga laboratoriemetoder. En metod för att studera drottning oviposition under hårt kontrollerade laboratorieförhållanden med Queen Monitoring Cages (QMC)³² har dock nyligen anpassats för att undersöka effekterna av agrokemikalier på queen fecundity³³. Här beskrivs dessa tekniker i detalj tillsammans med ytterligare metoder för att mäta och spåra arbetstagares kostkonsumtion i QMCs.

Dessa metoder är mer fördelaktiga än experiment som kräver fullstora kolonier eftersom de möjliggör administrering av exakta doser av agrokemikalier till ett kraftigt reducerat antal arbetare i förhållande till de tiotusentals som vanligtvis finns i en koloni³⁴, som sedan ger drottningen. Denna exponeringsteknik speglar den begagnade exponering som drottningar skulle uppleva i verkliga scenarier eftersom drottningar inom en koloni inte matar sig själva och förlitar sig på arbetare för att ge dem diet⁹. På samma sätt lämnar drottningar i allmänhet inte bikupan förutom under kolonireproduktion (svärmning) för parningsflygningar³⁵. Parade honungsbidrottningar kan köpas från kommersiella drottninguppfödare och skickas över natten. Vanligtvis säljer drottninguppfödare drottningar direkt efter att ha bekräftat att de har börjat lägga ägg, vilket tas som en indikation på framgångsrik parning. Om mer exakt information om drottning ålder eller släktskap behövs, kan forskare rådgöra med drottninguppfödaren innan de gör en beställning.

QMCs möjliggör exakt observation och kvantifiering av honungsbidrottning oviposition och äggkläckningsgrad^32,33, vilket ger värdefulla data relaterade till effekterna av agrokemisk exponering på drottning fecundity. De representativa resultaten som presenteras här beskriver ett experiment som kvantifierar oviposition, kostkonsumtion och embryo livskraft i QMCs under kronisk exponering för fältrelevanta koncentrationer av det systemiska neurotoxiska bekämpningsmedlet neonikotinoidbekämpningsmedel imidakloprid³⁶. När imidakloprid har applicerats translokerar till växtvävnader³⁷, och rester har upptäckts pollen och nektar av många bi pollinerade växter^38,39,40. Exponering för imidakloprid kan ha ett brett spektrum av skadliga effekter på honungsbin, inklusive nedsatt födosöksprestanda^16,nedsatt immunfunktion⁴¹och minskad frekvens av koloniexpansion och överlevnad^42,43. Här valdes imidakloprid ut för användning som testämne eftersom fältexperiment har visat att det kan påverka honungsbidrottning oviposition²⁹

Protocol

1. QMC-montering Montera QFC från delar(figur 1A)med en enda äggläggningsplatta (ELP) i bild 1B. Tillsätt inte matarrör förrän efter att arbetarna har lagts till i buret. Täck tillfälligt de 4 matarhålen med tejp av laboratoriekvalitet. Sätt in drottningens exkluderare och matningskammarens dörr över matkammaren för att hindra drottningen från att komma in i matkammaren och kontakta den behandlade kosten. Se Fine et<sup class="…

Representative Results

Produktionen av ägg övervakades i QMCs monterade och underhållna enligt beskrivningen ovan med en gång dagligen observationer av äggproduktion och 15 burar per behandlingsgrupp. Nygifta drottningar av främst Carniolan lager köptes och skeppades över natten från en drottning uppfödare, och honungsbiarbetare erhölls från 3 kolonier underhålls enligt standard kommersiella metoder vid The Bee Research Facility vid University of Illinois Urbana-Champaign. Här användes 4 dietbehandlingsgrupper: 1) 50 ppb (g/g) i…

Discussion

Fecundity av kvinnliga ensamma insekter såväl som drottningar i eusociala insektskolonier kan påverkas av abiotiska stressfaktorer som agrokemikalier^{25,28,29,30,33}. Hos honungsbin kan agrokemikaliernas effekter på drottningar vara indirekta, eftersom de kan uppstå genom förändringar i deras vård och utfodring av arbetsbin. Våra representativa resultat…

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