Dit protocol is ontwikkeld om het begrip te vergroten van hoe agrochemicaliën de reproductie van honingbijen(Apis mellifera)beïnvloeden door methoden vast te stellen om honingbijenkoninginnen en hun werkverzorgers bloot te stellen aan agrochemicaliën in een gecontroleerde, laboratoriumomgeving en zorgvuldig hun relevante reacties te volgen.
De huidige risicobeoordelingsstrategieën voor honingbijen zijn sterk afhankelijk van laboratoriumtests die worden uitgevoerd op volwassen of onvolwassen werkbijen, maar deze methoden kunnen de effecten van agrochemische blootstelling op honingbijenkoninginnen mogelijk niet nauwkeurig vastleggen. Als de enige producent van bevruchte eieren in een honingbijenkolonie, is de koningin misschien wel het belangrijkste afzonderlijke lid van een functionerende kolonie-eenheid. Daarom moet het begrijpen van hoe agrochemicaliën de gezondheid en productiviteit van koninginnen beïnvloeden, worden beschouwd als een cruciaal aspect van de risicobeoordeling van pesticiden. Hier wordt een aangepaste methode gepresenteerd om honingbijenkoninginnen en werkkoninginnen te blootstellen aan agrochemische stressoren toegediend via een werksterdieet, gevolgd door het volgen van de eiproductie in het laboratorium en het beoordelen van de eerste instar eclosie met behulp van een gespecialiseerde kooi, aangeduid als een Queen Monitoring Cage. Om het beoogde gebruik van de methode te illustreren, worden de resultaten beschreven van een experiment waarbij werksterverzorgers een dieet kregen met subletale doses imidacloprid en effecten op koninginnen werden gecontroleerd.
Vanwege de toegenomen wereldwijde vraag naar landbouwproducten vereisen moderne landbouwpraktijken vaak het gebruik van agrochemicaliën om tal van plagen te bestrijden waarvan bekend is dat ze de gewasopbrengsten verminderen of schaden1. Tegelijkertijd vertrouwen de telers van veel fruit-, groente- en notengewassen op de bestuivingsdiensten van commerciële honingbijenkolonies om overvloedige gewasopbrengsten te garanderen2. Deze praktijken kunnen ertoe leiden dat bestuivers, waaronder honingbijen (Apis mellifera), worden blootgesteld aan schadelijke niveaus van residuen van bestrijdingsmiddelen3. Tegelijkertijd vereist de wijdverspreide aanwezigheid van parasitaire Varroa destructor-mijtbesmettingen in honingbijenkolonies vaak dat imkers hun bijenkorven behandelen met miticiden, wat ook negatieve effecten kan hebben op de gezondheid en levensduur van de kolonie4,5 ,6. Om schadelijke effecten van agrochemische producten te verminderen en te beperken, is het noodzakelijk om hun veiligheid voor honingbijen volledig te evalueren voordat ze worden geïmplementeerd, zodat aanbevelingen voor het gebruik ervan kunnen worden gedaan om nuttige insecten te beschermen.
Momenteel vertrouwt het Environmental Protection Agency (EPA) op een gelaagde risicobeoordelingsstrategie voor blootstelling aan honingbijenbestrijdingsmiddelen, die laboratoriumtests op volwassen bijen en soms honingbijlarven omvat7. Indien laboratoriumtests van een lager niveau de bezorgdheid over toxiciteit niet wegnemen, kunnen veld- en semi-veldtests van een hoger niveau worden aanbevolen. Hoewel deze laboratoriumtests waardevol inzicht bieden in de mogelijke effecten van agrochemicaliën op de levensduur van werknemers, zijn ze niet noodzakelijkerwijs voorspellend voor hun effecten op koninginnen, die biologisch aanzienlijk verschillen van werknemers8 en gedragsmatig9. Bovendien zijn er tal van potentiële effecten van agrochemicaliën op insecten voorbij de mortaliteit, die aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor sociale insecten die afhankelijk zijn van gecoördineerd gedrag om te functioneren als een kolonie-eenheid10,11.
Hoewel sterfte het meest overwogen effect is van agrochemische pesticiden12, kunnen deze producten een breed scala aan effecten hebben op zowel doel- als niet-doel geleedpotigen, waaronder veranderd gedrag13,14,15,16,afstoting of aantrekkingskracht17,18,19,veranderingen in voedingspatronen20,21,22 , en verhoogde of verminderde vruchtbaarheid20,21,22,23,24,25. Voor sociale insecten kunnen deze effecten systemisch kolonie-interacties en -functies verstoren11. Van deze functies kan reproductie, die sterk afhankelijk is van een enkele eierleggende koningin ondersteund door de rest van de kolonie-eenheid9, bijzonder kwetsbaar zijn voor verstoring als gevolg van blootstelling aan pesticiden.
Studies uitgevoerd op onvolwassen koninginnen hebben aangetoond dat ontwikkelingsblootstelling aan miticiden het gedrag, de fysiologie en de overleving van volwassen koninginnen kan beïnvloeden26,27. Evenzo hebben studies met volledige of kleinere kolonies aangetoond dat agrochemicaliën volwassen honingbijenkoninginnen kunnen beïnvloeden door het paringssucces28te verminderen, de ovipositie29te verminderen en de levensvatbaarheid van de geproduceerde eieren te verminderen25,30,31. Deze verschijnselen waren voorheen moeilijk waar te nemen zonder het gebruik van hele kolonies, grotendeels te wijten aan een gebrek aan beschikbare laboratoriummethoden. Een methode om de ovipositie van koninginnen onder streng gecontroleerde laboratoriumomstandigheden te bestuderen met behulp van Queen Monitoring Cages (QMC)32 is onlangs echter aangepast om de effecten van agrochemicaliën op de vruchtbaarheid van koninginnen te onderzoeken33. Hier worden deze technieken in detail beschreven, samen met aanvullende methoden om de consumptie van het dieet van werknemers in MFC’s te meten en te volgen.
Deze methoden zijn voordeliger dan experimenten die kolonies van volledige grootte vereisen, omdat ze de toediening van precieze doses agrochemicaliën mogelijk maken aan een sterk verminderd aantal werknemers in vergelijking met de tienduizenden die meestal aanwezig zijn in een kolonie34, die vervolgens de koningin leveren. Deze belichtingstechniek weerspiegelt de tweedehands blootstelling die koninginnen in reële scenario’s zouden ervaren, omdat koninginnen binnen een kolonie zichzelf niet voeden en vertrouwen op werknemers om hen van dieet te voorzien9. Evenzo verlaten koninginnen over het algemeen de korf niet, behalve tijdens koloniereproductie (zwermen) voor paringsvluchten35. Gedekte honingbijenkoninginnen kunnen worden gekocht bij commerciële koninginnenfokkers en ‘s nachts worden verzonden. Meestal verkopen koninginnenfokkers koninginnen direct nadat ze hebben bevestigd dat ze zijn begonnen met het leggen van eieren, wat wordt beschouwd als een indicatie van succesvolle paring. Als meer precieze informatie over de leeftijd of verwantschap van de koningin nodig is, kunnen onderzoekers de koninginnenfokker raadplegen voordat ze een bestelling plaatsen.
MFC’s maken nauwkeurige observatie en kwantificering van de ovipositie van honingbijenkoninginnen en het uitkomen van eieren32,33mogelijk, wat waardevolle gegevens oplevert met betrekking tot de effecten van agrochemische blootstelling op de vruchtbaarheid van koninginnen. De representatieve resultaten die hier worden gepresenteerd, beschrijven een experiment dat de ovipositie, dieetconsumptie en embryo-levensvatbaarheid in MGM’s kwantificeert bij chronische blootstelling aan veldrelevante concentraties van het systemische neurotoxische neonicotinoïde pesticide imidacloprid36. Eenmaal aangebracht, verplaatst imidacloprid zich naarplantenweefsels 37, en residuen zijn gedetecteerd het stuifmeel en nectar van talrijke bijen bestoven planten38,39,40. Blootstelling aan imidacloprid kan een breed scala aan schadelijke effecten hebben op honingbijen, waaronder verminderde foerageerprestaties16,verminderde immuunfunctie41en verminderde kolonie-uitbreiding en overleving42,43. Hier werd imidacloprid geselecteerd voor gebruik als teststof omdat veldexperimenten hebben aangetoond dat het de ovipositie van honingbijenkoningin29 kan beïnvloeden
De vruchtbaarheid van vrouwelijke solitaire insecten en koninginnen in eusociale insectenkolonies kan worden beïnvloed door abiotische stressoren zoals agrochemicaliën25,28,29,30,33. Bij honingbijen kunnen de effecten van agrochemicaliën op koninginnen indirect zijn, omdat ze kunnen optreden via veranderingen in hun verzorging en voeding door werkbijen. Onz…
The authors have nothing to disclose.
Dank aan Dr. Amy Cash-Ahmed, Nathanael J. Beach en Alison L. Sankey voor hun hulp bij het uitvoeren van dit werk. Vermelding van handelsnamen of commerciële producten in deze publicatie is uitsluitend bedoeld om specifieke informatie te verstrekken en impliceert geen aanbeveling of goedkeuring door het Amerikaanse ministerie van Landbouw. USDA is een aanbieder van gelijke kansen en werkgever. Dit onderzoek werd ondersteund door een subsidie van het Defense Advanced Research Projects Agency # HR0011-16-2-0019 aan Gene E. Robinson en Huimin Zhao, USDA-project 2030-21000-001-00-D, en de Fenotypische Plasticiteitsonderzoekservaring voor Community College-studenten aan de Universiteit van Illinois in Urbana Champaign.
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 |