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.
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.
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 kann4,5,6. 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 fungieren10,11.
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 Nichtzielarthropodenhaben,einschließlich verändertem Verhalten13,14 , 15,16, Abstoßung oder Attraktivität17,18,19, Veränderungen der Fütterungsmuster20,21,22 , und erhöhte oder verminderte Fruchtbarkeit20,21,22,23,24,25. 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 kann26,27. 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 verringern25,30,31. 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 Eiern32,33, 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 Pflanzen38,39,40nachgewiesen . Die Exposition gegenüber Imidacloprid kann eine breite Palette von schädlichen Auswirkungen auf Honigbienen haben, einschließlich einer beeinträchtigten Futtersuche16,einer beeinträchtigten Immunfunktion41und einer verringerten Rate der Kolonieausdehnung und des Überlebens42,43. Hier wurde Imidacloprid für die Verwendung als Testsubstanz ausgewählt, da Feldexperimente gezeigt haben, dass es die Eiablage der Honigbienenkönigin beeinflussen kann29
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…
The authors have nothing to disclose.
Vielen Dank an Dr. Amy Cash-Ahmed, Nathanael J. Beach und Alison L. Sankey für ihre Unterstützung bei der Durchführung dieser Arbeit. Die Erwähnung von Handelsnamen oder kommerziellen Produkten in dieser Veröffentlichung dient ausschließlich der Bereitstellung spezifischer Informationen und impliziert keine Empfehlung oder Billigung durch das US-Landwirtschaftsministerium. USDA ist ein Anbieter von Chancengleichheit und Arbeitgeber. Diese Forschung wurde durch ein Stipendium der Defense Advanced Research Projects Agency # HR0011-16-2-0019 an Gene E. Robinson und Huimin Zhao, das USDA-Projekt 2030-21000-001-00-D und die Phänotypic Plasticity Research Experience für Community College-Studenten an der University of Illinois in Urbana Champaign unterstützt.
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 |