Summary

Оценка агрохимического риска для спаренных пчелиных маток

Published: March 03, 2021
doi:

Summary

Этот протокол был разработан для улучшения понимания того, как агрохимикаты влияют на размножение медоносных пчел(Apis mellifera),путем установления методов воздействия на матки медоносных пчел и их работников-смотрителей агрохимикатов в контролируемых лабораторных условиях и тщательного мониторинга их соответствующих ответов.

Abstract

Современные стратегии оценки риска для медоносных пчел в значительной степени основаны на лабораторных тестах, проводимых на взрослых или незрелых рабочих пчелах, но эти методы могут не точно отражать влияние агрохимического воздействия на маток медоносных пчел. Как единственный производитель оплодотворенных яиц внутри колонии медоносных пчел, матка, возможно, является самым важным членом функционирующей колонии. Поэтому понимание того, как агрохимикаты влияют на здоровье и продуктивность маток, следует рассматривать как критический аспект оценки риска пестицидов. Здесь представлен адаптированный метод для воздействия маток медоносных пчел и рабочих маток агрохимических стрессоров, вводимых через рабочую диету, с последующим отслеживанием производства яиц в лаборатории и оценкой первой эклозии с использованием специализированной клетки, называемой клеткой мониторинга матки. Чтобы проиллюстрировать предполагаемое использование метода, описаны результаты эксперимента, в котором рабочих маток кормили диетой, содержащей сублетальные дозы имидаклоприда, и контролировали влияние на маток.

Introduction

Из-за возросшего мирового спроса на сельскохозяйственную продукцию современные методы ведения сельского хозяйства часто требуют использования агрохимикатов для борьбы с многочисленными вредителями, которые, как известно, снижают или наносят вред урожайности сельскохозяйственныхкультур1. В то же время производители многих фруктовых, овощных и ореховых культур полагаются на услуги опыления, предоставляемые коммерческими пчелиными семьями, чтобы обеспечить обильные урожаикультур 2. Эта практика может привести к тому, что опылители, включая медоносных пчел(Apis mellifera),будут подвергаться воздействию вредных уровней остатков пестицидов3. В то же время широко распространенное присутствие паразитических клещей Varroa destructor в пчелиных семьях часто требует от пчеловодов обработки своих ульев митицидами, что также может оказывать негативное влияние на здоровье и долголетие колонии4,5,6. Для снижения и смягчения вредного воздействия агрохимических продуктов необходимо до их реализации в полной мере оценить их безопасность для медоносных пчел, чтобы можно было дать рекомендации по их использованию для защиты полезных насекомых.

В настоящее время Агентство по охране окружающей среды (EPA) опирается на многоуровневую стратегию оценки риска воздействия пестицидов на медоносных пчел, которая включает лабораторные испытания взрослых пчел и иногда личинок медоносных пчел7. Если лабораторные испытания более низкого уровня не позволяют снять опасения по поводу токсичности, могут быть рекомендованы полевые и полуполевые испытания более высокого уровня. Хотя эти лабораторные тесты дают ценную информацию о потенциальном влиянии агрохимикатов на продолжительность жизни рабочих, они не обязательно предсказывают их влияние на маток, которые значительно отличаются от рабочих биологически8 и поведенчески9. Кроме того, существует множество потенциальных воздействий агрохимикатов на насекомых за пределами смертности, что может иметь значительные последствия для общественных насекомых, которые полагаются на скоординированное поведение, чтобы функционировать в качестве колонии10,11.

Хотя смертность является наиболее часто рассматриваемым эффектом агрохимических пестицидов12,эти продукты могут оказывать широкий спектр воздействий как на целевых, так и на нецелевых членистоногих, включая измененное поведение13,14,15,16,репеллентность или аттрактантность17,18,19,изменения в моделях кормления20,21,22 , а также повышенная или пониженная плодовитость20,21,22,23,24,25. Для общественных насекомых эти эффекты могут систематически нарушать взаимодействия колоний и функции11. Из этих функций размножение, которое в значительной степени зависит от одной яйцекладущей матки, поддерживаемой остальной частью колонии блока9,может быть особенно уязвимо к возмущению из-за воздействия пестицидов.

Исследования, проведенные на незрелых королевах, показали, что воздействие митицидов на развитие может повлиять на поведение взрослой королевы, физиологию, выживаемость26,27. Аналогичным образом, исследования с использованием полных или уменьшенных колоний показали, что агрохимикаты могут влиять на взрослых маток медоносных пчел, уменьшая успех спаривания28,уменьшая яйцекладку29и уменьшая жизнеспособностьяиц,произведенных25,30,31. Эти явления ранее было трудно наблюдать без использования целых колоний, во многом из-за отсутствия доступных лабораторных методов. Тем не менее, метод изучения яйцекладки матки в строго контролируемых лабораторных условиях с использованием клеток мониторинга королевы (QMC)32 недавно был адаптирован для изучения влияния агрохимикатов на плодовитость матки33. Здесь эти методы подробно описаны вместе с дополнительными методами измерения и отслеживания потребления диеты работниками в QMC.

Эти методы более выгодны, чем эксперименты, требующие полноразмерных колоний, потому что они позволяют вводить точные дозы агрохимикатов значительно меньшему числу рабочих по сравнению с десятками тысяч, обычно присутствующих внутри колонии34,которые затем обеспечивают матку. Этот метод воздействия отражает воздействие из вторых рук, которое королевы испытали бы в реальных сценариях, потому что в колонии королевы не кормят себя и полагаются на работников, чтобы обеспечить их диетой9. Точно так же матки обычно не покидают улей, за исключением периода размножения колонии (роения) для брачных полетов35. Спаренные матки медоносных пчел можно приобрести у коммерческих селекционеров маток и отправить на ночь. Как правило, заводчики маток продают маток сразу после подтверждения того, что они начали откладывать яйца, что воспринимается как показатель успешного спаривания. Если требуется более точная информация о возрасте или родстве королевы, исследователи могут проконсультироваться с заводчиком матки перед размещением заказа.

QMC позволяют проводить точные наблюдения и количественную оценку яйцекладки и инкубации яиц медоносных пчел и темпов вылупления яиц32,33,что дает ценные данные, связанные с воздействием агрохимического воздействия на плодовитость маток. Репрезентативные результаты, представленные здесь, описывают эксперимент, количественно оценивающий яйцекладку, потребление рациона и жизнеспособность эмбрионов в QMC при хроническом воздействии соответствующих полевым условиям концентраций системного нейротоксикантного неоникотиноидного пестицида имидаклоприда36. После нанесения имидаклоприд перемещается в ткани растений37,и в остатках пыльцы и нектара многочисленных пчел опыляют растения38,39,40. Воздействие имидаклоприда может иметь широкий спектр пагубных последствий для медоносных пчел, включая ухудшение кормовой деятельности16,нарушение иммунной функции41и снижение темпов расширения колонии и выживаемости42,43. Здесь имидаклоприд был выбран для использования в качестве тестового вещества, потому что полевые эксперименты показали, что он может влиять на яйцекладку пчелиной матки29.

Protocol

1. Сборка QMC Соберите QMC из деталей(рисунок 1A)с одной вставленной яйцекладущей пластиной (ELP), как показано на рисунке 1B. Не добавляйте питательные трубки до тех пор, пока рабочие не будут добавлены в клетку. Временно закройте 4 отверстия питателя ленто?…

Representative Results

Производство яиц контролировали в QMC, собранных и поддерживаемых, как описано выше, с однократными ежедневными наблюдениями за производством яиц и 15 клетками на группу обработки. Недавно спаренные матки в основном карниоланского стада были куплены и отправлены в одночасье у селекцион?…

Discussion

На плодовитость самок одиночных насекомых, а также маток в эусоциальных колониях насекомых могут влиять абиотические стрессоры, такие как агрохимикаты25,28,29,30,33. У медоносных пчел воздействие агрох…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Спасибо доктору Эми Кэш-Ахмед, Натанаэлю Дж. Упоминание торговых наименований или коммерческих продуктов в этой публикации исключительно с целью предоставления конкретной информации и не подразумевает рекомендации или одобрения со стороны Министерства сельского хозяйства США. Министерство сельского хозяйства США является поставщиком равных возможностей и работодателем. Это исследование было поддержано грантом Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны No HR0011-16-2-0019 Джину Э. Робинсону и Хуэймин чжао, проекту Министерства сельского хозяйства США 2030-21000-001-00-D и опыту исследования фенотипической пластичности для студентов общественных колледжей в Университете Иллинойса в Урбана Шампейн.

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

References

  1. Hedlund, J., Longo, S. B., York, R. Agriculture, pesticide use, and economic development: A global examination (1990-2014). Rural Sociology. 85 (2), 519-544 (2020).
  2. Calderone, N. W. Insect pollinated crops, insect pollinators and US agriculture: Trend analysis of aggregate data for the period 1992-2009. PLOS ONE. 7 (5), 37235 (2012).
  3. Johnson, R. M., Ellis, M. D., Mullin, C. A., Frazier, M. Pesticides and honey bee toxicity – USA. Apidologie. 41 (3), 312-331 (2010).
  4. Walsh, E. M., Sweet, S., Knap, A., Ing, N., Rangel, J. Queen honey bee (Apis mellifera) pheromone and reproductive behavior are affected by pesticide exposure during development. Behavioral Ecology and Sociobiology. 74 (3), 33 (2020).
  5. Zhu, W., Schmehl, D. R., Mullin, C. A., Frazier, J. L. Four Common Pesticides, Their Mixtures and a Formulation Solvent in the Hive Environment Have High Oral Toxicity to Honey Bee Larvae. PLoS ONE. 9 (1), 77547 (2014).
  6. Fisher, A., Rangel, J. Exposure to pesticides during development negatively affects honey bee (Apis mellifera) drone sperm viability. PLoS ONE. 13 (12), 0208630 (2018).
  7. How we assess risks to pollinators. US EPA Available from: https://www.epa.gov/pollinator-protection/how-we-assess-risk-polliators (2013)
  8. Snodgrass, R. E. . Anatomy of the honey bee. , (1956).
  9. Allen, M. D. The honeybee queen and her attendants. Animal Behaviour. 8 (3), 201-208 (1960).
  10. Hölldobler, B., Wilson, E. O. . The superorganism: The beauty, elegance, and strangeness of insect societies. , (2009).
  11. Berenbaum, M. R., Liao, L. -. H. Honey bees and environmental stress: Toxicologic pathology of a superorganism. Toxicologic Pathology. 47 (8), 1076-1081 (2019).
  12. Yu, S. J. . The toxicology and biochemistry of insecticides. , (2014).
  13. Ciarlo, T. J., Mullin, C. A., Frazier, J. L., Schmehl, D. R. Learning impairment in honey bees caused by agricultural spray adjuvants. PloS One. 7 (7), 40848 (2012).
  14. Fourrier, J., et al. Larval exposure to the juvenile hormone analog pyriproxyfen disrupts acceptance of and social behavior performance in adult honeybees. PLoS ONE. 10 (7), (2015).
  15. Morfin, N., Goodwin, P. H., Correa-Benitez, A., Guzman-Novoa, E. Sublethal exposure to clothianidin during the larval stage causes long-term impairment of hygienic and foraging behaviours of honey bees. Apidologie. 50 (5), 595-605 (2019).
  16. Colin, T., Meikle, W. G., Wu, X., Barron, A. B. Traces of a neonicotinoid induce precocious foraging and reduce foraging performance in honey bees. Environmental Science & Technology. 53 (14), 8252-8261 (2019).
  17. Liao, L. H., Wu, W. Y., Berenbaum, M. R. Behavioral responses of honey bees (Apis mellifera) to natural and synthetic xenobiotics in food. Scientific Reports. 7 (1), 1-8 (2017).
  18. Kessler, S. C., et al. Bees prefer foods containing neonicotinoid pesticides. Nature. 521 (7550), 74-76 (2015).
  19. Metcalf, R. L., Luckmann, W. H. . Introduction to Insect Pest Management. , (1994).
  20. Duncan, J. Post-treatment effects of sublethal doses of dieldrin on the mosquito Aedes aegypti L. Annals of Applied Biology. 52 (1), 1-6 (1963).
  21. Haynes, K. F. Sublethal effects of neurotoxic insecticides on insect behavior. Annual Review of Entomology. 33 (1), 149-168 (1988).
  22. James, D. G., Price, T. S. Fecundity in twospotted spider mite (Acari: Tetranychidae) is increased by direct and systemic exposure to imidacloprid. Journal of Economic Entomology. 95 (4), 729-732 (2002).
  23. Hodjat, S. H. Effects of sublethal doses of insecticides and of diet and crowding on Dysdercus fasciatus Sign. (Hem., Pyrrhocoridae). Bulletin of Entomological Research. 60 (3), 367-378 (1971).
  24. Feng, W. B., Bong, L. J., Dai, S. M., Neoh, K. B. Effect of imidacloprid exposure on life history traits in the agricultural generalist predator Paederus beetle: Lack of fitness cost but strong hormetic effect and skewed sex ratio. Ecotoxicology and Environmental Safety. 174, 390-400 (2019).
  25. Milchreit, K., Ruhnke, H., Wegener, J., Bienefeld, K. Effects of an insect growth regulator and a solvent on honeybee (Apis mellifera L.) brood development and queen viability. Ecotoxicology. 25 (3), 530-537 (2016).
  26. Haarmann, T., Spivak, M., Weaver, D., Weaver, B., Glenn, T. Effects of fluvalinate and coumaphos on queen honey bees (Hymenoptera: Apidae) in two commercial queen rearing operations. Journal of Economic Entomology. 95 (1), 28-35 (2002).
  27. Pettis, J. S., Collins, A. M., Wilbanks, R., Feldlaufer, M. F. Effects of coumaphos on queen rearing in the honey bee, Apis mellifera. Apidologie. 35 (6), 605-610 (2004).
  28. Thompson, H. M., Wilkins, S., Battersby, A. H., Waite, R. J., Wilkinson, D. The effects of four insect growth-regulating (IGR) insecticides on honeybee (Apis mellifera L.) colony development, queen rearing and drone sperm production. Ecotoxicology. 14 (7), 757-769 (2005).
  29. Wu-Smart, J., Spivak, M. Sub-lethal effects of dietary neonicotinoid insecticide exposure on honey bee queen fecundity and colony development. Scientific Reports. 6 (1), 1-11 (2016).
  30. Chen, Y. W., Wu, P. S., Yang, E. C., Nai, Y. S., Huang, Z. Y. The impact of pyriproxyfen on the development of honey bee (Apis mellifera L.) colony in field. Journal of Asia-Pacific Entomology. 19 (3), 589-594 (2016).
  31. Fine, J. D., Mullin, C. A., Frazier, M. T., Reynolds, R. D. Field residues and effects of the insect growth regulator novaluron and its major co-formulant n-methyl-2-pyrrolidone on honey bee reproduction and development. Journal of Economic Entomology. 110 (5), 1993-2001 (2017).
  32. Fine, J. D., et al. Quantifying the effects of pollen nutrition on honey bee queen egg laying with a new laboratory system. PLoS ONE. 13 (9), 0203444 (2018).
  33. Fine, J. D. Evaluation and comparison of the effects of three insect growth regulators on honey bee queen oviposition and egg eclosion. Ecotoxicology and Environmental Safety. 205, 111142 (2020).
  34. The Colony and Its Organization. MAAREC – Mid Atlantic Apiculture Research & Extension Consortium Available from: https://agdev.anr.udel.edu/maarec/honey-bee-biology/the-colony-and-its-organization/ (2020)
  35. Winston, M. L. . The biology of the honey bee. , (1991).
  36. Mullins, J. W. Pest control with enhanced environmental safety. Imidacloprid. 524, 183-198 (1993).
  37. Sur, R., Stork, A. Uptake, translocation and metabolism of imidacloprid in plants. Bulletin of Insectology. 56 (1), 35-40 (2003).
  38. Dively, G. P., Kamel, A. Insecticide residues in pollen and nectar of a cucurbit crop and their potential exposure to pollinators. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 60 (18), 4449-4456 (2012).
  39. Goulson, D. Review: An overview of the environmental risks posed by neonicotinoid insecticides. Journal of Applied Ecology. , 977-987 (2014).
  40. Krischik, V., Rogers, M., Gupta, G., Varshney, A. Soil-applied imidacloprid translocates to ornamental flowers and reduces survival of adult Coleomegilla maculata, Harmonia axyridis, and Hippodamia convergens lady beetles, and larval Danaus plexippus and Vanessa cardui butterflies. PLoS ONE. 10 (3), (2015).
  41. Prisco, G. D., et al. Neonicotinoid clothianidin adversely affects insect immunity and promotes replication of a viral pathogen in honey bees. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (46), 18466-18471 (2013).
  42. Dively, G. P., Embrey, M. S., Kamel, A., Hawthorne, D. J., Pettis, J. S. Assessment of chronic sublethal effects of imidacloprid on honey bee colony health. PLoS ONE. 10 (3), 01118748 (2015).
  43. Sandrock, C., Tanadini, M., Tanadini, L. G., Fauser-Misslin, A., Potts, S. G., Neumann, P. Impact of chronic neonicotinoid exposure on honeybee colony performance and queen supersedure. PLoS ONE. 9 (8), 103592 (2014).
  44. Brodschneider, R., Riessberger-Gallé, U., Crailsheim, K. Flight performance of artificially reared honeybees (Apis mellifera). Apidologie. 40 (4), 441-449 (2009).
  45. Harrison, J. M. Caste-specific changes in honeybee flight capacity. Physiological Zoology. 59 (2), 175-187 (1986).
  46. Mackensen, O. Effect of carbon dioxide on initial oviposition of artificially inseminated and virgin queen bees. Journal of Economic Entomology. 40 (3), 344-349 (1947).
  47. OECD. . OECD Test No. 245: Honey bee (Apis Mellifera L.), chronic oral toxicity test (10-Day Feeding), OECD guidelines for the testing of chemicals, section 2. , (2017).
  48. . ECOTOX Home Available from: https://cfpub.epa.gov/ecotox/ (2020)
  49. Collins, A. M. Variation in time of egg hatch by the honey bee, Apis mellifera (Hymenoptera: Apidae). Annals of the Entomological Society of America. 97 (1), 140-146 (2004).
  50. Santomauro, G., Engels, W. Sexing of newly hatched live larvae of the honey bee, Apis mellifera, allows the recognition of diploid drones. Apidologie. 33 (3), 283-288 (2002).
  51. Tang, W., Hu, Z., Muallem, H., Gulley, M. L. Quality assurance of RNA expression profiling in clinical laboratories. The Journal of Molecular Diagnostics JMD. 14 (1), 1-11 (2012).
  52. Henry, M., et al. Reconciling laboratory and field assessments of neonicotinoid toxicity to honeybees. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 282 (1819), (2015).
  53. Singaravelan, N., Nee’man, G., Inbar, M., Izhaki, I. Feeding responses of free-flying honeybees to secondary compounds mimicking floral nectars. Journal of Chemical Ecology. 31 (12), 2791-2804 (2005).
  54. Brown, L. A., Ihara, M., Buckingham, S. D., Matsuda, K., Sattelle, D. B. Neonicotinoid insecticides display partial and super agonist actions on native insect nicotinic acetylcholine receptors. Journal of Neurochemistry. 99 (2), 608-615 (2006).
  55. Dupuis, J. P., Gauthier, M., Raymond-Delpech, V. Expression patterns of nicotinic subunits α2, α7, α8, and β1 affect the kinetics and pharmacology of ACh-induced currents in adult bee olfactory neuropiles. Journal of Neurophysiology. 106 (4), 1604-1613 (2011).
  56. Crailsheim, K., et al. Pollen consumption and utilization in worker honeybees (Apis mellifera carnica): Dependence on individual age and function. Journal of Insect Physiology. 38 (6), 409-419 (1992).
  57. . The Merck Index Online – chemicals, drugs and biologicals Available from: https://www.rsc.org/merck-index (2020)
  58. Trostanetsky, A., Kostyukovsky, M. Note: Transovarial activity of the chitin synthesis inhibitor novaluron on egg hatch and subsequent development of larvae of Tribolium castaneum. Phytoparasitica. 36 (1), 38-41 (2008).
  59. Medina, P., Smagghe, G., Budia, F., del Estal, P., Tirry, L., Viñuela, E. Significance of penetration, excretion, and transovarial uptake to toxicity of three insect growth regulators in predatory lacewing adults. Archives of Insect Biochemistry and Physiology. 51 (2), 91-101 (2002).
  60. Kim, S. H. S., Wise, J. C., Gökçe, A., Whalon, M. E. Novaluron causes reduced egg hatch after treating adult codling moths, Cydia pomenella: Support for transovarial transfer. Journal of Insect Science. 11, (2011).
  61. Joseph, S. V. Transovarial effects of insect growth regulators on Stephanitis pyrioides (Hemiptera: Tingidae). Pest Management Science. 75 (8), 2182-2187 (2019).
  62. Tasei, J. N. Effects of insect growth regulators on honey bees and non-Apis bees. A review. Apidologie. 32 (6), 527-545 (2001).
  63. Haydak, M. H. Honey Bee Nutrition. Annual Review of Entomology. 15 (1), 143-156 (1970).
  64. Böhme, F., Bischoff, G., Zebitz, C. P. W., Rosenkranz, P., Wallner, K. From field to food-will pesticide-contaminated pollen diet lead to a contamination of royal jelly. Apidologie. 49 (1), 112-119 (2018).

Play Video

Cite This Article
Fine, J. D., Torres, K. M., Martin, J., Robinson, G. E. Assessing Agrochemical Risk to Mated Honey Bee Queens. J. Vis. Exp. (169), e62316, doi:10.3791/62316 (2021).

View Video