Vurdering av agrokjemisk risiko for parret honningbi queens

Summary

Denne protokollen ble utviklet for å forbedre forståelsen av hvordan agrokjemikalier påvirker honningbi (Apis mellifera) reproduksjon ved å etablere metoder for å utsette honningbidronninger og deres arbeiderpassere for agrokjemikalier i kontrollerte, laboratorieinnstillinger og nøye overvåke deres relevante svar.

Abstract

Nåværende risikovurderingsstrategier for honningbier er avhengige av laboratorietester utført på voksne eller umodne arbeiderbier, men disse metodene kan ikke nøyaktig fange effekten av agrokjemisk eksponering på honningbidronninger. Som eneste produsent av befruktede egg inne i en honningbikoloni er dronningen uten tvil det viktigste enkeltmedlemmet av en fungerende kolonienhet. Derfor bør forståelse av hvordan agrokjemikalier påvirker dronningens helse og produktivitet betraktes som et kritisk aspekt av risikovurdering av plantevernmidler. Her presenteres en tilpasset metode for å eksponere honningbidronninger og arbeiderdronningsvakter for agrokjemiske stressfaktorer administrert gjennom et arbeiderdiett, etterfulgt av sporing av eggproduksjon i laboratoriet og vurdering av første instar eclosjon ved hjelp av et spesialisert bur, referert til som et Queen Monitoring Cage. For å illustrere metodens tiltenkte bruk, beskrives resultater av et eksperiment der arbeiderdronningsvakter ble matet diett som inneholder subletaldoser av imidakloprid og effekter på dronninger.

Introduction

På grunn av økt global etterspørsel etter landbruksprodukter krever moderne oppdrettspraksis ofte bruk av agrokjemikalier for å kontrollere mange som er kjent for å redusere eller skade avlinger¹. Samtidig er produsentene av mange frukt-, grønnsaks- og nøtteavlinger avhengige av pollineringstjenestene som tilbys av kommersielle honningbikolonier for å sikre rikelig avlingsutbytte². Disse praksisene kan resultere i pollinatorer, inkludert honningbier (Apis mellifera), blir utsatt for skadelige nivåer av plantevernmidler rester³. Samtidig krever den utbredte tilstedeværelsen av parasittiske Varroa destruktormittinfeksjoner i honningbikolonier ofte biavlere for å behandle sine elveblest med miticides, som også kan utøve negative effekter på koloniens helse og levetid^4,5,6. For å redusere og redusere skadelige effekter av agrokjemiske produkter, er det nødvendig å evaluere deres sikkerhet for honningbier før implementeringen, slik at anbefalinger for bruk kan gjøres for å beskytte gunstige insekter.

For tiden er Environmental Protection Agency (EPA) avhengig av en lagdelt risikovurderingsstrategi for eksponering for honningbie plantevernmidler, som innebærer laboratorietester på voksne bier og noen ganger honningbi larver⁷. Hvis laboratorietester på lavere nivåer ikke lindrer bekymringer for toksisitet, kan det anbefales høyere nivåfelt- og semifelttesting. Mens disse laboratorietestene gir verdifull innsikt i de potensielle effektene av agrokjemikalier på arbeidstakerens levetid, er de ikke nødvendigvis prediktive for deres effekter på dronninger, som varierer betydelig fra arbeidere biologisk⁸ og^{atferdsmessig 9}. Videre er det mange potensielle effekter av agrokjemikalier på insekter utover dødelighet, noe som kan ha betydelige konsekvenser for sosiale insekter som er avhengige av koordinert oppførsel for å fungere som en kolonienhet^10,11.

Selv om dødelighet er den mest vurderte effekten av agrokjemiske plantevernmidler¹², kan disse produktene ha et bredt spekter av effekter på både mål og ikke-mål leddyr, inkludert endret oppførsel^13,14,15,16, avstøtende eller tiltrekning^17,18,19, endringer i fôringsmønstre^20,21,22 , og økt eller redusert fecundity^{20,21,22,23,24,25}. For sosiale insekter kan disse effektene systemisk forstyrre koloniinteraksjoner og funksjoner¹¹. Av disse funksjonene kan reproduksjon, som er sterkt avhengig av en enkelt eggleggingsdronning støttet av resten av kolonienheten⁹, være spesielt sårbar for perturbasjon på grunn av eksponering for plantevernmidler.

Studier utført på umodne dronninger har vist at utviklingseksponering for miticides kan påvirke voksen dronningadferd, fysiologi, overlevelse^26,27. På samme måte har studier ved hjelp av full eller redusert størrelse kolonier vist at agrokjemikalier kan påvirke voksne honningbidronninger ved å redusere parringssuksess²⁸, redusere oviposisjon²⁹, og redusere levedyktigheten til eggene som produseres^25,30,31. Disse fenomenene har tidligere vært vanskelige å observere uten bruk av hele kolonier, hovedsakelig på grunn av mangel på tilgjengelige laboratoriemetoder. Imidlertid har en metode for å studere dronningoviposisjon under tett kontrollerte laboratorieforhold ved hjelp av Queen Monitoring Cages (QMC)³² nylig blitt tilpasset for å undersøke effekten av agrokjemikalier på dronning fecundity³³. Her er disse teknikkene beskrevet i detalj sammen med flere metoder for å måle og spore arbeider diettforbruk i QMCer.

Disse metodene er mer fordelaktige enn eksperimenter som krever kolonier i full størrelse fordi de tillater administrasjon av presise doser av agrokjemikalier til et sterkt redusert antall arbeidere i forhold til titusenvis som vanligvis er til stede inne i en koloni³⁴, som deretter klargjør dronningen. Denne eksponeringsteknikken gjenspeiler brukteksponeringen som dronninger ville oppleve i virkelige scenarier fordi dronninger i en koloni ikke spiser seg selv og stoler på arbeidere for å gi dem diett⁹. På samme måte forlater dronninger vanligvis ikke bikube bortsett fra under kolonireproduksjon (swarming) for parring av flyreiser³⁵. Parret honningbi dronninger kan kjøpes fra kommersielle dronningoppdrettere og sendes over natten. Vanligvis selger dronningoppdrettere dronninger direkte etter å ha bekreftet at de har begynt å legge egg, noe som er tatt som en indikasjon på vellykket parring. Hvis det er behov for mer presis informasjon om dronningalder eller slektskap, kan forskere konsultere dronningoppdretteren før de legger inn en bestilling.

QMCs tillater presis observasjon og kvantifisering av honningbi dronning oviposisjon og egg klekking priser^32,33, noe som gir verdifulle data relatert til effekten av agrokjemisk eksponering på dronning fecundity. De representative resultatene som presenteres her beskriver et eksperiment som kvantifiserer oviposisjon, diettforbruk og embryo levedyktighet i QMCer under kronisk eksponering for feltrelevante konsentrasjoner av det systemiske nevrotoksiske middel neonicotinoid plantevernmiddelet imidakloprid³⁶. Når det er påført, translokaliserer imidakloprid til plantevev³⁷, og rester har blitt oppdaget pollen og nektar av mange bee pollinerte planter^38,39,40. Eksponering for imidakloprid kan ha et bredt spekter av skadelige effekter på honningbier, inkludert nedsatt foraging ytelse¹⁶, nedsatt immunfunksjon⁴¹, og reduserte grad av koloniutvidelse og overlevelse^42,43. Her ble imidakloprid valgt for bruk som teststoff fordi feltforsøk har vist at det kan påvirke honningbidronning oviposisjon²⁹

Protocol

1. QMC-montering Monter QMCer fra deler (Figur 1A) med en enkelt eggleggingsplate (ELP) satt inn som vist i figur 1B. Ikke legg til materrør før etter at arbeiderne er lagt til buret. Dekk midlertidig de 4 materhullene med laboratoriekvalitetstape. Sett inn dronningen unntatt og fôringskammerdøren over fôringskammeret for å hindre dronningen i å komme inn i fôringskammeret og kontakte det behandlede dietten. Se Fine et al.<sup class="…

Representative Results

Produksjonen av egg ble overvåket i QMCer samlet og vedlikeholdt som beskrevet ovenfor med en gang daglige observasjoner av eggproduksjon og 15 merder per behandlingsgruppe. Nyparerte dronninger av primært karniolanbestanden ble kjøpt og sendt over natten fra en dronningoppdretter, og honningbiarbeidere ble hentet fra 3 kolonier opprettholdt i henhold til standard kommersielle metoder ved The Bee Research Facility ved University of Illinois Urbana-Champaign. Her, 4 kostholdsbehandlingsgrupper ble brukt: 1) 50 ppb (g/g…

Discussion

Fecundity av kvinnelige ensomme insekter samt dronninger i eusosiale insektkolonier kan påvirkes av abiotiske stressfaktorer som agrokjemikalier^{25,28,29,30,33}. I honningbier kan effekten av agrokjemikalier på dronninger være indirekte, da de kan oppstå via endringer i deres omsorg og fôring av arbeiderbier. Våre representative resultater, som ligner de s…

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