Vurdering agrokemisk risiko for parrede honningbi dronninger

Summary

Denne protokol blev udviklet for at øge forståelsen af, hvordan agrokemikalier påvirker honningbi (Apis mellifera) reproduktion ved at etablere metoder til at udsætte honningbi dronninger og deres arbejdstager viceværter til agrokemikalier i en kontrolleret, laboratorium indstilling og omhyggeligt overvågning af deres relevante svar.

Abstract

De nuværende risikovurderingsstrategier for honningbier er stærkt afhængige af laboratorieundersøgelser udført på voksne eller umodne arbejderbier, men disse metoder kan ikke nøjagtigt registrere virkningerne af agrokemisk eksponering på honningbidronninger. Som den eneste producent af befrugtede æg inde i en honningbikoloni er dronningen uden tvivl det vigtigste enkeltmedlem af en fungerende kolonienhed. Derfor bør det betragtes som et kritisk aspekt af vurderingen af pesticidrisikovurderingen at forstå, hvordan agrokemikalier påvirker dronningens sundhed og produktivitet. Her præsenteres en tilpasset metode til at udsætte honningbidronninger og arbejderedronningspersonale for agrokemiske stressorer, der administreres gennem en arbejdstagerdiæt, efterfulgt af sporing af ægproduktion i laboratoriet og vurdering af første instar eclosion ved hjælp af et specialiseret bur, kaldet et queen monitoring cage. For at illustrere metodens tilsigtede anvendelse beskrives resultaterne af et eksperiment, hvor arbejderedronning ledsagere blev fodret med kost, der indeholder fremlejede doser af imidacloprid og virkninger på dronninger.

Introduction

På grund af den øgede globale efterspørgsel efter landbrugsprodukter kræver moderne landbrugsmetoder ofte brug af agrokemikalier til at kontrollere mange skadedyr, der vides at reducere eller skade høstudbyttet¹. Samtidig er producenterne af mange frugt-, grøntsags- og nøddeafgrøder afhængige af bestøvningstjenesterne fra kommercielle honningbikolonier for at sikre rigeligt høstudbytte². Denne praksis kan resultere i, at bestøvere, herunder honningbier (Apis mellifera), udsættes for skadelige niveauer af pesticidrester³. Samtidig kræver den udbredte tilstedeværelse af parasitære Varroa-destructormideangreb i honningbikolonier ofte biavlere til at behandle deres bistader med miticider, hvilket også kan have negative virkninger på koloniens sundhed og levetid^4,5,6. For at reducere og afbøde skadelige virkninger af agrokemiske produkter er det nødvendigt at evaluere deres sikkerhed fuldt ud for honningbier forud for deres gennemførelse, så der kan fremsættes anbefalinger til deres anvendelse for at beskytte gavnlige insekter.

I øjeblikket er Environmental Protection Agency (EPA) afhængig af en differentieret risikovurderingsstrategi for eksponering af honningbi pesticid, som involverer laboratorieundersøgelser på voksne bier og undertiden honningbilarver⁷. Hvis laboratorieundersøgelser på lavere niveauer ikke mindsker bekymringerne om toksicitet, kan det anbefales at teste højere niveau og semifelttest. Mens disse laboratorieundersøgelser giver værdifuld indsigt i de potentielle virkninger af agrokemikalier på arbejdernes levetid, er de ikke nødvendigvis forudsigende for deres virkninger på dronninger, som adskiller sig væsentligt fra arbejdere biologisk⁸ og adfærdsmæssigt⁹. Desuden er der mange potentielle virkninger af agrokemikalier på insekter ud over dødelighed, hvilket kan have betydelige konsekvenser for sociale insekter, der er afhængige af koordineret adfærd for at fungere som en kolonienhed^10,11.

Selvom dødelighed er den mest almindeligt betragtede effekt af agrokemiske pesticider¹², kan disse produkter have en bred vifte af virkninger på både mål- og ikke-mål leddyr, herunder ændret adfærd^13,14,15,16, repellency eller attractancy^17,18,19, ændringer i fodringsmønstre^20,21,22 og forhøjet eller nedsat fecundity^{20,21,22,23,24,25}. For sociale insekter kan disse virkninger systemisk forstyrre koloniinteraktioner og funktioner¹¹. Af disse funktioner kan reproduktion, som er stærkt afhængig af en enkelt æglægningsdronning støttet af resten af kolonienheden⁹, være særligt sårbar over for forstyrrelser på grund af pesticideksponering.

Undersøgelser udført på umodne dronninger har vist, at udviklingsmæssig eksponering for miticider kan påvirke voksen dronning adfærd, fysiologi, overlevelse^26,27. Tilsvarende har undersøgelser, der anvender kolonier i fuld eller reduceret størrelse , vist , at agrokemikalier kan påvirke voksne honningbidronninger ved at reducere parringssucces²⁸, faldende oviposition²⁹og reducere levedygtigheden af de producerede æg^25,30,31. Disse fænomener har tidligere været vanskelige at observere uden brug af hele kolonier, hovedsagelig på grund af mangel på tilgængelige laboratoriemetoder. Men en metode til at studere dronning oviposition under stramt kontrollerede laboratorieforhold ved hjælp af Queen Monitoring Cages (QMC)³² er for nylig blevet tilpasset til at undersøge virkningerne af agrokemikalier på dronning fecundity³³. Her er disse teknikker beskrevet i detaljer sammen med yderligere metoder til at måle og spore arbejdstager kost forbrug i QPC’er.

Disse metoder er mere fordelagtige end eksperimenter, der kræver kolonier i fuld størrelse, fordi de giver mulighed for administration af præcise doser af agrokemikalier til et stærkt reduceret antal arbejdere i forhold til de titusinder, der typisk er til stede inde i en koloni³⁴, som derefter giver dronningen. Denne eksponeringsteknik afspejler den brugte eksponering, som dronninger ville opleve i virkelige scenarier, fordi dronninger i en koloni ikke fodrer sig selv og stoler på, at arbejderne giver dem kost⁹. Tilsvarende forlader dronninger generelt ikke bikuben undtagen under koloni reproduktion (swarming) til parring flyvninger³⁵. Parret honningbi dronninger kan købes fra kommercielle dronning opdrættere og sendes natten over. Typisk sælger dronningeopdrættere dronninger direkte efter at have bekræftet, at de er begyndt at lægge æg, hvilket er taget som en indikation af vellykket parring. Hvis der er behov for mere præcise oplysninger om dronningealderen eller relatedness, kan forskerne rådføre sig med dronningeopdrætteren, før de afgiver en ordre.

QPC’er giver mulighed for præcis observation og kvantificering af honningbi dronning oviposition og æg udklækning satser^32,33, giver værdifulde data relateret til virkningerne af agrokemisk eksponering på dronning fecundity. De repræsentative resultater, der præsenteres her, beskriver et eksperiment, der kvantificerer oviposition, kostforbrug og embryons levedygtighed i QPC’er under kronisk eksponering for feltrelevante koncentrationer af det systemiske neurotoksiske neonicotinoide pesticid imidacloprid³⁶. Når det er anvendt, translokerer imidacloprid til plantevæv³⁷, og rester er blevet påvist pollen og nektar af mange bibestøvede planter^38,39,40. Eksponering for imidacloprid kan have en bred vifte af skadelige virkninger på honningbier , herunder nedsat fourageringsevne¹⁶, nedsat immunfunktion⁴¹og nedsat koloniudvidelse og^{overlevelseshastighed 42,43}. Her blev imidacloprid udvalgt til brug som teststof, fordi feltforsøg har vist, at det kan påvirke honningbidronningen²⁹

Protocol

1. QMC-samling QPC’er fra dele (Figur 1A) med en enkelt æglægningsplade (ELP) indsat som vist i figur 1B. Tilsættes ikke feederrør, før arbejderne er blevet tilsat til buret. Dæk midlertidigt de 4 feeder huller med laboratoriekvalitetstape. Indsæt dronningens ekskluder og fodringskammerdøren over fodringskammeret for at forhindre dronningen i at komme ind i fodringskammeret og kontakte den behandlede kost. Se Fine et al.<sup class="xr…

Representative Results

Produktionen af æg blev overvåget i QMCs samlet og vedligeholdt som beskrevet ovenfor med en gang daglige observationer af ægproduktion og 15 bure pr. behandlingsgruppe. Nyligt parret dronninger af primært Carniolan lager blev købt og afsendt natten fra en dronning opdrætter, og honningbi arbejdstagere blev opnået fra 3 kolonier vedligeholdes i henhold til standard kommercielle metoder på The Bee Research Facility på University of Illinois Urbana-Champaign. Her blev der anvendt 4 diætbehandlingsgrupper: 1) 50 p…

Discussion

Fecundity af kvindelige ensomme insekter samt dronninger i eusociale insektkolonier kan påvirkes af abiotiske stressorer som agrokemikalier^{25,28,29,30,33}. Hos honningbier kan virkningerne af agrokemikalier på dronninger være indirekte, da de kan forekomme gennem ændringer i deres pleje og fodring af arbejderbier. Vores repræsentative resultater, som svare…

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