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.
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.
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 rikligskördeutbyte 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 livslängd4,5,6. 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 kolonienhet10,11.
Även om dödlighet är den vanligaste effekten av agrokemiskabekämpningsmedel 12, kan dessa produkter ha ett brett spektrum av effekter på både mål- och icke-mål leddjur inklusive förändrat beteende13,14,15,16, avstötning eller ryckkraft17,18,19, förändringar i utfodringsmönster20,21,22 , och ökad eller minskad fecundity20,21,22,23,24,25. 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, överlevnad26,27. 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 produceras25,30,31. 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 äggkläckningsgrad32,33, 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 växter38,39,40. Exponering för imidakloprid kan ha ett brett spektrum av skadliga effekter på honungsbin, inklusive nedsatt födosöksprestanda16,nedsatt immunfunktion41och minskad frekvens av koloniexpansion och överlevnad42,43. Här valdes imidakloprid ut för användning som testämne eftersom fältexperiment har visat att det kan påverka honungsbidrottning oviposition29
Fecundity av kvinnliga ensamma insekter såväl som drottningar i eusociala insektskolonier kan påverkas av abiotiska stressfaktorer som agrokemikalier25,28,29,30,33. 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…
The authors have nothing to disclose.
Tack till Dr. Amy Cash-Ahmed, Nathanael J. Beach och Alison L. Sankey för deras hjälp med att utföra detta arbete. Omnämnande av handelsnamn eller kommersiella produkter i denna publikation är endast i syfte att tillhandahålla specifik information och innebär inte rekommendation eller godkännande av det amerikanska jordbruksdepartementet. USDA är en leverantör och arbetsgivare för lika möjligheter. Denna forskning stöddes av ett bidrag från Defense Advanced Research Projects Agency # HR0011-16-2-0019 till Gene E. Robinson och Huimin Zhao, USDA-projektet 2030-21000-001-00-D och Phenotypic Plasticity Research Experience for Community College Students vid University of Illinois at 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 |