Name: empirical, metagenomic, and computational techniques illuminate the mechanisms by which fungicides compromise bee health
Uploaded: 2017-10-09T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Empirical, Metagenomic, and Computational Techniques Illuminate the Mechanisms by which Fungicides Compromise Bee Health at JoVE.com

De auteur (s) bedanken de Universiteit van Wisconsin biotechnologie Center DNA Sequencing faciliteit voor het verstrekken van versterking en sequencing faciliteiten en diensten, Caitlin Carlson, Jennifer Knack, Jake Otto en Max Haase voor het verlenen van technische bijstand met moleculaire analyse. Dit werk werd gesteund door de USDA-agrarische zoekservice uitgetrokken middelen (huidige Research Information System #3655-21220-001). Verdere steun werd voorzien door de National Science Foundation (onder Grant nr. DEB-1442148), het DOE grote meren bio-energie Research Center (DOE Office van wetenschap BER DE-FC02-07ER64494), en de USDA nationale Instituut voor voeding en landbouw (Hatch project 1003258). C.T.H. is een geleerde van de Pew in de Biomedische Wetenschappen en een Alfred Toepfer faculteit Fellow, ondersteund door de Pew Charitable Trusts en de Alexander von Humboldt Foundation, respectievelijk.

1. onderzoeken van het Effect van Fungicide blootstelling op de Bumble Bee kolonie succes met behulp van veld kooi experimenten <ol><li>Set van tien mesh kooien in een veld beplant met haver. Graven van een greppel rond elke kooi, en alle vier randen van de mesh-kooi graven in de grond om ervoor te zorgen dat de bijen niet kunnen ontsnappen. Voorraad van de kooien met, bloeiende potplanten waarvan bekend is dat aantrekkelijk voor bijen (bijvoorbeeld boekweit, bernagie, alyssum, kosmos en zonnebloemen) (<stron...

Onderzoek naar de effecten van fungiciden op de gezondheid van de bijen zijn een understudied aspect van strategieën voor het beheer van pest gebleven. Onze studie streeft naar het overbruggen van deze kennis met behulp van een suite van complementaire technieken die expliciet het isoleren van de potentiële factoren rijden bee dalingen. De planning, beweegredenen en weergave van deze experimenten zijn hieronder.
Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat geen bijen zijn toegestaan om te ontsn...

Beheerd en wilde bijen soorten ondervindt wijdverbreide dalingen, met grote gevolgen voor zowel natuur- en landbouw systemen1. Ondanks gezamenlijke inspanningen om te begrijpen van de oorzaken van dit probleem, zijn de factoren rijden honing honingbij dalingen nog steeds niet goed begrepen2,3,4. Voor bepaalde soorten van wilde, inheemse bijen, is de situatie geworden dire5,6. Als de bijenvolken kunnen niet worden gehandhaafd wanneer ze elkaar met de industriële landbouw snijden, hun bevolking zal blijven dalen en de gewassen waarvoor bestuivers (35% van de wereldwijde productie7) zal doorstaan verminderd oogsten.
Terwijl vele potentiële factoren zoals bestrijdingsmiddelen blootstelling, ziekte en habitat verlies1,4,8,9,10 zijn betrokken bij de daling van de bijen van de honing, relatief is weinig bekend over de interactieve effect van deze stressoren op inheemse bijen gezondheid, binnen of in de buurt van landbouwsystemen. Veel huidige onderzoeksinspanningen blijven richten op insecticiden (bijv, neonicotinoids11,12), hoewel afgelopen onderzoek wijst uit dat fungiciden ook een rol in de daling van de bee spelen kunnen door afbreuk te doen aan Geheugenvorming, olfactorische receptie13, nest erkenning14, enzymactiviteit en metabolische functies15,16,17. Wereldwijd blijven de Fungiciden op bloeiende gewassen worden toegepast tijdens de bloei. Recente studies hebben gedocumenteerd dat bijen brengen vaak fungicide residuen terug naar de korf18, inderdaad, studies hebben aangetoond een groot aantal geteste bijenkasten bevatte fungicide residuen19,20. Verdere werkzaamheden is gebleken dat fungicide residu wordt geassocieerd met hoge tarieven van honing honingbij larvale sterfte21,22,23 en de aanwezigheid van "entombed pollen" binnen de koloniën, die hoewel niet-toxisch, is verstoken van microbiële activiteit en voedingswaarde gecompromitteerde24. Ondanks het feit dat fungiciden hebben lang beschouwd als "bee-safe", blijkt nu dat de blootstelling aan fungicide alleen kan leiden tot ernstige kolonie verliezen in een inheemse bumble bee soorten, Bombus impatiens25.
Om het oorzakelijk verband tussen blootstelling van de fungicide en kolonie sterfte, de werkwijze van deze chemische stoffen moeten worden bepaald. Blijkens in bodems26, sedimenten27en28van het aquatisch milieu, gericht op schimmels, fungiciden waarschijnlijk veranderen schimmel overvloed en diversiteit binnen de stuifmeel-bepalingen, waardoor het inroepen van een grote gemeenschap die verschuiving kan sterk gunst bacteriën. Zonder schimmel concurrenten of antagonisten, kunnen bepaalde pathogene bacteriën vermenigvuldigen relatief ongecontroleerde, vergemakkelijking van het bederf van stuifmeel-bepalingen. Afgelopen onderzoek heeft aangetoond dat micro-organismen, met name de gisten en filamenteuze schimmels, dienen als voeding symbionten voor bijen29,30,31, beschermen tegen parasieten en pathogenen32 ,33, en op lange termijn behoud van stuifmeel winkels bieden. Fungiciden, daarom kunnen niet indirect schade toebrengen aan onrijpe bijen door het verstoren van de microbiële Gemeenschap die nodig is om deze services te verstrekken en/of door het verhogen van de gevoeligheid voor opportunistische pathogenen en parasieten12. Met de toenemende eisen op de productie van levensmiddelen, zijn gewassen die wereldwijd wordt gespoten jaarlijks met fungiciden tijdens bloei, onderstrepen de noodzaak om te begrijpen de omvang van dergelijke fungicide-geïnduceerde effecten.
Tot op heden, de lacunes in de primaire kennis met betrekking tot inheemse honingbij microbiële ecologie kan worden vertegenwoordigd door de volgende vragen: in welke mate verandert fungicide de microbiële Gemeenschap in bijen stuifmeel-voorzieningen? Wat zijn de downstream effecten van de consumptie van stuifmeel met een ingrijpend gewijzigde microbiële Gemeenschap? Houden met deze ecologisch germane vragen, experimenten werden ontwikkeld met de belangrijkste doelstellingen van het openbaren van 1) dat alleen fungicide-residu kan leiden tot daling van de strenge kolonie in een inheemse honingbij soorten; 2) de mate waarop microbiële gemeenschappen in stuifmeel-bepalingen worden gewijzigd door fungiciden, en 3) hoe bee gezondheid wordt beïnvloed door een sterk veranderde microbiële Gemeenschap. De experimentele doelstellingen werden gedefinieerd om aan te pakken van de bovenstaande vragen met behulp van een combinatie van laboratorium en veld-gebaseerde experimenten. Met behulp van state-of-the-art metagenomic en moleculaire technieken naast traditionele methoden van veld observatie, dit onderzoek heeft tot doel om samen stuk van de potentiële gezondheidseffecten van fungiciden bee.
De eerste doelstelling van deze studie is om aan te tonen dat fungicide blootstelling alleen leiden aanzienlijke kolonie verliezen onder inheemse honingbij soorten tot kan. Een studie waarbij grote veld kooien werd gebruikt voor het onderzoeken van de effecten van fungicide blootstelling op de groei van de kolonie van Bombus impatiens, een alomtegenwoordige, overvloedige inheemse honingbij in de VS (afbeelding 1, afbeelding 2, Figuur 3). Het was veronderstelde dat bijenkasten fungicide-behandeld voorleggen aan het zou lagere fitness en atypische demografie in vergelijking met niet-blootgesteld kasten. Gegevens die zijn verkregen uit dit experiment ondersteund deze hypothese, aan te tonen dat residuen van het fungicide binnen stuifmeel de enige oorzaak van diepe kolonie verliezen in een inheemse bumble bee soorten25kunnen zijn. De tweede doelstelling van deze studie is om te onderzoeken van de reactie van de stuifmeel-microbiome fungicide blootstelling. Het is veronderstelde dat de samenstelling van de Gemeenschap van microben in stuifmeel-bepalingen blootgesteld aan fungiciden van die van onbehandeld stuifmeel afwijken zullen. Terwijl schimmel overvloed diversiteit naar verwachting aanzienlijk afnemen, zal bacteriën en/of een één dominante schimmel soort waarschijnlijk groeien ongecontroleerde bij gebrek aan andere concurrerende schimmels. Door een reeks van in-vivo proeven, zal deze verschuivingen in microbiële Gemeenschap samenstelling worden geanalyseerd met behulp van metagenomics.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Natupol Beehive</td>
			<td>Koppert</td>
			<td>USRESM1</td>
			<td>16 hives</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propiconazole 14.3</td>
			<td>Quali-Ppro</td>
			<td>60207-90-1</td>
			<td>Propiconazole 14.3%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Abound</td>
			<td>Syngenta</td>
			<td>4033540</td>
			<td>Azoxystrobin 22.9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chlorothalonil</td>
			<td>Syngenta</td>
			<td>3452</td>
			<td>Fungicide used for trials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pollen granules</td>
			<td>Bee rescued</td>
			<td>B004D5650C</td>
			<td>3X 16oz bottles, pollen for trials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacterial strains for inoculation</td>
			<td>Currie Lab</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast strains for inoculation</td>
			<td>Hittinger lab</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer pairs</td>
			<td>UW Biotech Center</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DNA Isolation Kit</td>
			<td>Mo Bio</td>
			<td>12830-50</td>
			<td>Commercial DNA isolation kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Qubit dsDNA HS Assay Kit</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>Q32851</td>
			<td>DNA quantification tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Select Master Mix for CFX</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>4472952</td>
			<td>Used to perform real-time PCR using SYBR GreenER dye.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Real-Time PCR Detection System</td>
			<td>Bio Rad</td>
			<td>1855196</td>
			<td>Instrument used for PCR amplification</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCR Clean-Up Kit,</td>
			<td>Axygen</td>
			<td>10159-696</td>
			<td>Used for efficient removal of unincorporated dNTPs, salts and enzymes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DNA 1000 Kit</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>5067-1504</td>
			<td>Used for sizing and analysis of DNA fragments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MiSeq Sequencer</td>
			<td>Illumina</td>
			<td></td>
			<td>Used for next-generation sequencing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Assorted glassware (beaker, flasks, pipettes, test tubes, repietters)</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

empirical, metagenomic, and computational techniques illuminate the mechanisms by which fungicides compromise bee health

Kwekers gebruiken vaak fungicide sprays tijdens bloei te beschermen gewassen tegen ziekte, die bijen fungicide residuen blootstelt. Hoewel beschouwd als "bee-safe", is er montage bewijs dat fungicide residuen in stuifmeel gekoppeld bee dalingen (voor zowel de honing en de bumble bee-soorten zijn). Terwijl de mechanismen nog relatief onbekend, hebben onderzoekers gespeculeerd dat bee-microbe symbiose zijn betrokken. Microben spelen een centrale rol in het behoud en/of de verwerking van stuifmeel, dat als voeding voor larvale bijen fungeert. Door een wijziging van de microbiële Gemeenschap, is het waarschijnlijk dat fungiciden deze microbe-mediated diensten en verstoren waardoor compromis gezondheid van de bijen. Dit manuscript beschrijft de protocollen voor het onderzoeken van de indirecte mechanism(s) door die fungiciden wordt veroorzaakt door de daling van de kolonie. Cage experimenten bloot bijen aan fungicide-behandelde bloemen hebt al het eerste bewijs dat fungiciden diepgaande kolonie in een inheemse bumble bee (Bombus impatiens verliezen) opgegeven. Met behulp van veld-relevante doses van fungiciden, een reeks experimenten zijn ontwikkeld om te voorzien van een fijnere beschrijving van microbiële Gemeenschap dynamiek van stuifmeel fungicide-blootgesteld. Verschuivingen in de structurele samenstelling van schimmel en bacteriële assemblages binnen de stuifmeel-microbiome worden door de volgende-generatie sequentie en metagenomic analyse onderzocht. Experimenten ontwikkeld hierin zijn ontworpen om een mechanistische begrip van de invloed van fungiciden op de microbiome van stuifmeel-bepalingen. Uiteindelijk, deze bevindingen moeten licht werpen op de indirecte route waarlangs fungiciden wordt veroorzaakt door dalingen van de kolonie.

Veld kooi studie:
Gegevens die zijn verkregen uit de kooi experimenten bleek dat de bijenvolken bumble had een significante reactie fungicide blootstelling. De kasten fungicide-behandelde geproduceerd aanzienlijk minder werknemers (12.2 ± 3,8, gemiddelde ± SE) dan de controle kasten (43,2 ± 11.2, F1,9= 6,8, p = 0,03) (Figuur 4). Bovendien, was de honingbij bioma...

Watch this Scientific Journal Video about Empirical, Metagenomic, and Computational Techniques Illuminate the Mechanisms by which Fungicides Compromise Bee Health at JoVE.com

Empirical, Metagenomic, and Computational Techniques Illuminate the Mechanisms by which Fungicides Compromise Bee Health

Microbiële consortia binnen bumble bee-hives verrijken en behouden van pollen voor larven van de honingbij. Met behulp van de volgende generatie sequencing, samen met laboratorium en veld gebaseerde experimenten, dit manuscript wordt beschreven protocollen gebruikt om te testen van de hypothese dat fungicide residuen veranderen de stuifmeel microbiome, en de kolonie demografie, uiteindelijk leidde tot de kolonie verlies.

Empirische, Metagenomic en computationele technieken verlichten de mechanismen door welke fungiciden compromis Bee gezondheid

Growers often use fungicide sprays during bloom to protect crops against disease, which exposes bees to fungicide residues. Although considered ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Biology

Environment

Ecology

Population and Community Ecology

SCIENTISTS IN ACTION

Optimized Negative Staining: a High-throughput Protocol for Examining Small and Asymmetric Protein Structure by Electron Microscopy

Geoptimaliseerd Negatieve kleuring: een High-throughput protocol voor de behandeling Kleine en Asymmetric Protein Structure door Electron Microscopy

Structural determination of proteins is rather challenging for proteins with molecular masses between 40 - 200 kDa. Considering that more than half of ...

Spotting Cheetahs: Identifying Individuals by Their Footprints

Spotting Cheetahs: identificeren van individuen door hun voetsporen

The cheetah (Acinonyx jubatus) is Africa's most endangered large felid and listed as Vulnerable with a declining population trend by the IUCN1. It ranges ...

Evaluating the Effect of Environmental Chemicals on Honey Bee Development from the Individual to Colony Level

Het evalueren van het effect van Environmental Chemicals over Honey Bee ontwikkeling van het individu naar Colony Level

The presence of pesticides in the beekeeping environment is one of the most serious problems that impacts the life of a honey bee. Pesticides can be ...

Nanopore DNA Sequencing for Metagenomic Soil Analysis

Nanopore DNA rangschikkend voor Metagenomic bodemanalyse

This article describes the steps for construction of a DNA library from soil, preparation and use of the nanopore flow cell, and analysis of the DNA ...

RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols

RGB- en spectrale Root Imaging voor Plant fenotypering en fysiologisch onderzoek: experimentele opzet en Imaging protocollen

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop ...

Techniques for Investigating the Anatomy of the Ant Visual System

Technieken voor het onderzoek naar de anatomie van het visuele systeem van Ant

This article outlines a suite of techniques in light microscopy (LM) and electron microscopy (EM) which can be used to study the internal and external eye ...

Isolation of Mandibular Gland Reservoir Contents from Bornean 'Exploding Ants' (Formicidae) for Volatilome Analysis by GC-MS and MetaboliteDetector

Isolation of Mandibular Gland Reservoir Contents from Bornean 'Exploding Ants' Formicidae for Volatilome Analysis by GC-MS and MetaboliteDetector

Isolatie van de mandibulaire klier Reservoir inhoud van Borneose ' exploderende mieren (Formicidae) voor Volatilome analyse door GC-MS en MetaboliteDetector

The aim of this manuscript is to present a protocol describing the metabolomic analysis of Bornean &#39;exploding ants&#39; belonging to the Colobopsis ...

In Situ Hybridization Techniques for Paraffin-Embedded Adult Coral Samples

In Situ Hybridization Techniques for Paraffin-Embedded Adult Coral Samples

In Situ Hybridisatie technieken voor paraffine-ingebedde volwassen koraal monsters

Corals are important ocean invertebrates that are critical for overall ocean health as well as human health. However, due to human impacts such as rising ...

Necropsy-based Wild Fish Health Assessment

De beoordeling van de gezondheid van de necropsie gebaseerde wilde vis

Anthropogenic influences from increased nutrients and chemical contaminants, to habitat alterations and climate change, can have significant effects on ...

Measuring Hypopharyngeal Gland Acinus Size in Honey Bee (Apis mellifera) Workers

Measuring Hypopharyngeal Gland Acinus Size in Honey Bee Apis mellifera Workers

Meten van de Hypopharyngeal de grootte van de Acinus van de klier in de honingbij (Apis mellifera) werknemers

The nurse hypopharyngeal glands produce the protein fraction of the worker and royal jelly that is fed to developing larvae and queens. These paired ...