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

Forfatteren/forfatterne takke University of Wisconsin bioteknologi Center DNA sekvensering anlegget for å gi forsterkning og sekvensering fasiliteter og tjenester, Caitlin Carlson, Jennifer Knack, Jake Otto og Max Haase for å tilby kundestøtte for molekylær analyse. Dette arbeidet ble støttet av USDA-Agricultural Research Service bevilget midler (nåværende forskning Information System #3655-21220-001). Ytterligere støtte ble levert av National Science Foundation (under Grant nr. DEB-1442148), DOE Great Lakes bioenergi Research Center (DOE Office av vitenskap BER DE-FC02-07ER64494), og USDA National Institute of Food og landbruk (Luke prosjekt 1003258). C.T.H. er en Pew forsker i biomedisinsk vitenskapene og en Alfred Toepfer fakultet kar, støttet av Pew veldedige stiftelser og Alexander von Humboldt Foundation, henholdsvis.

1. undersøke effekten av soppdreper eksponering på Bumble Bee kolonien suksess ved hjelp av feltet bur eksperimenter <ol><li>Sett opp ti mesh bur i et beplantet med havre. Grave en grøft rundt hver bur, og grave alle fire kanter på mesh buret i bakken for å sikre at biene ikke kan unnslippe. Lager av merdene med, blomstrende potteplanter som er kjent for å være attraktive for bier (f.eks bokhvete, borage, alyssum, Kosmos og solsikker) ( figur 2).</li>
	<li>Supplement merde...

Undersøkelser på virkningene av soppmidler på bee helse har forblitt et lite studert aspekt av pest management strategier. Vår studie som mål å bygge bro kunnskap ved hjelp av en rekke supplerende teknikker som eksplisitt isolerer potensielle faktorene kjøre bee avtar. Planlegging, begrunnelsen, og gjengivelse av disse eksperimentene er beskrevet nedenfor.
Det er viktig å sikre at ingen bier er tillatt å unnslippe mesh bur eksperimenter, siden dette ville kompromiss demografi analyse....

Klart og vill bee arter opplever utbredt nedgang, med store konsekvenser for både naturlig og landbruket1. Til tross for felles innsats for å forstå årsakene til problemet, er faktorene som driver honey bee nedgangen fortsatt ikke godt forstått2,3,4. For enkelte arter av vill, innfødt bier, har situasjonen blitt dire5,6. Hvis bee befolkninger ikke kan opprettholdes når de snitter industrielle landbruket sine befolkninger vil fortsette å falle og avlinger som krever pollinators (35% av verdensomspennende produksjon7) vil tåle redusert avlinger.
Mens mange potensielle faktorer som plantevernmidler eksponering, har sykdom og habitat tap1,4,8,9,10 vært innblandet i honey bee nedgang, relativt er lite kjent om interaktive effekten av disse stressorer på innfødt bier helse, i eller i nærheten av jordbruks-systemer. Mange nåværende forskningsinnsats fortsette å fokusere på insektmidler, (f.eks, neonicotinoids11,12), selv om tidligere forskning indikerer at soppmidler kan også spille en rolle i bee nedgang ved å svekke minne formasjon, olfactory resepsjonen13, reir anerkjennelse14, enzym aktivitet og metabolske funksjoner15,16,17. Globalt, fortsatt soppmidler brukes til blomstrende avlinger under blomst. Nyere studier har dokumentert at bier vanligvis bringe soppdreper rester tilbake til strukturen18, faktisk, studier har vist en stor andel av testet elveblest inneholdt soppdreper rester19,20. Videre arbeid har avslørt at soppdreper rester er knyttet til høy forekomst av honey bee larver dødelighet21,22,23 og tilstedeværelsen av "innkapslede pollen" i kolonier, som selv om ikke-giftig, er blottet for mikrobiell aktivitet og ernæringsmessig kompromittert24. Til tross for at soppmidler har lenge vært ansett "bee-sikker", det er nå bevis for at eksponering for soppdreper alene kan forårsake alvorlige kolonien tap i innfødt bumble bee Art, Bombus impatiens25.
For å etablere årsakssammenheng mellom soppdreper eksponering og kolonien dødelighet, den modus operandi av disse kjemikaliene skal bestemmes. Som dokumentert i jord26, sedimenter27og akvatiske miljøer28, av målretting sopp, soppmidler mest sannsynlig endre fungal overflod og mangfold i pollen-bestemmelser, og dermed starter et større fellesskap Skift som kan sterkt favorisere bakterier. Uten fungal konkurrenter eller antagonister, kan visse patogene bakterier spre relativt ukontrollert, tilrettelegge kvalitetsforringende pollen-bestemmelser. Tidligere forskning har vist at mikroorganismer, spesielt gjær og trådformede sopp, tjene som ernæringsmessige symbionter for bier29,30,31, beskytte mot parasitter og patogener32 ,33, og gi langtidsoppbevaring av pollen butikker. Fungicides, derfor kan indirekte skade umodne bier ved å forstyrre det mikrobielle samfunnet som er nødvendig for å yte tjenester og/eller økt mottakelighet for opportunistiske patogener og parasitter12. Med økende krav til matproduksjon, er avlinger verden er sprøytet hvert år med soppmidler under bloom, understreker behovet for å forstå omfanget av slike soppdreper-indusert effekter.
Til dags dato, primære kunnskapshull knyttet til innfødte bee mikrobiell økologi kan representeres av følgende spørsmål: i hvilken grad soppdreper endrer det mikrobielle samfunnet i bee pollen-bestemmelser? Hva er nedstrøms konsekvensene av å konsumere pollen med et dypt endret mikrobielle samfunn? I tråd med spørsmålene økologisk germane, eksperimenter ble utviklet med de primære mål å avsløre 1) at soppdreper rester alene kan forårsake alvorlige kolonien nedgang i en innfødt bee Art; 2) graden som mikrobielle samfunn i pollen-bestemmelser er endret av soppmidler og 3) hvordan bee helse påvirkes av et sterkt endret mikrobielle samfunn. Eksperimentell målene ble definert for å løse de ovennevnte spørsmålene en kombinasjon av laboratorie - og feltbaserte eksperimenter. Ved hjelp av state-of-the-art metagenomic og molekylære teknikker sammen med tradisjonelle metoder for feltet observasjon, skal denne forskningen sette sammen de potensielle effektene av soppmidler på bee helse.
Det første målet av denne studien er å vise at soppdreper eksponering alene kan forårsake betydelig kolonien tap blant innfødt bee arter. En studie som involverer store feltet burene ble brukt til å undersøke virkningene av soppdreper eksponering på kolonien veksten av liten impatiens, en allestedsnærværende, rikelig innfødt bie i USA (figur 1, figur 2, Figur 3). Var hypotesen at soppdreper-behandlet elveblest ville presentere lavere fitness og atypisk demografi sammenlignet med ikke-utsatt elveblest. Data fra dette eksperimentet støtter denne hypotesen, demonstrere at soppdreper rester i pollen kan være den eneste årsaken til dyp kolonien tap i en innfødt bumble bee arter25. Det andre målet av denne studien er å undersøke respons på pollen microbiome soppdreper eksponering. Det er en teori om at samfunnet sammensetningen av mikrober innen pollen klargjør utsatt for soppmidler vil være forskjellig fra ubehandlet pollen. Mens fungal overflod og mangfold ventes å avta betydelig, vokse bakterier og/eller en enkelt dominerende fungal arten sannsynligvis ukontrollert i fravær av andre konkurrerende sopp. Gjennom en rekke i vivo prøvelser, vil disse skift i mikrobielle samfunn komposisjon analyseres ved hjelp av 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

Bøndene bruker ofte soppdreper spray under blomst for å beskytte avlinger mot sykdom, som eksponerer bier til soppdreper rester. Selv om betraktet som "bee-sikker", er det montering bevis at soppdreper rester i pollen er forbundet med bee synker (for både honning og bumble bee arter). Mens de fortsatt relativt ukjent, spekulert forskere at bee-mikrobe symbioses er involvert. Mikrober spille en sentral rolle i bevaring og/eller behandling av pollen, som fungerer som næring for larver bier. Ved å endre mikrobiell samfunnet, er det sannsynlig at soppmidler forstyrre mikrobe-mediert tjenester, og dermed kompromittere bee helse. Dette manuskriptet beskriver protokollene som brukes å undersøke den indirekte mechanism(s) som soppmidler kan forårsake kolonien nedgang. Buret eksperimenter utsette bier til soppdreper-behandlet blomster har allerede gitt det første beviset at soppmidler forårsake dyp kolonien tap i en innfødt humlen (liten impatiens). Bruker feltet relevante doser av soppmidler, en serie eksperimenter er utviklet for å gi en bedre beskrivelse av mikrobielle samfunn dynamikken i soppdreper-eksponerte pollen. Endringer i strukturelle sammensetningen av sopp og bakteriell samlinger i pollen microbiome blir etterforsket av neste generasjons sekvensering og metagenomic analyse. Eksperimenter utviklet her er utformet for å gi en mekanistisk forståelse av hvordan soppmidler påvirker microbiome pollen-bestemmelser. Til slutt, disse funnene bør kaste lys over indirekte veien som soppmidler kan forårsake kolonien avtar.

Feltet bur studien:
Data fra buret eksperimenter viste at bumble bee kolonier hadde en betydelig respons til soppdreper eksponering. Den soppdreper-behandlet elveblest produsert betydelig færre arbeidere (12.2 ± 3.8, gjennomsnittlig ± SE) enn kontroll strukturer (43,2 ± 11.2, F1,9= 6.8, p = 0,03) (Figur 4). I tillegg var bee biomasse soppdreper-behandlet hives ...

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

Mikrobiell konsortier innen bumble bee elveblest berike og bevare pollen for bee larver. Med neste generasjons sekvensering, laboratorium og feltbaserte eksperimenter, beskriver dette manuskriptet protokoller brukes til å teste hypotesen at soppdreper rester endre pollen microbiome, og kolonien demografi, slutt fører til koloni tap.

Empirisk, Metagenomic og beregningsorientert teknikker belyse mekanismer av hvilke soppmidler kompromiss Bee helse

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

Optimalisert negativ farging: en High-throughput Protokoll for Undersøke Liten og Asymmetric Protein struktur ved elektronmikroskopi

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 Dynamo Kiev: Identifisere enkeltpersoner med sine Footprints

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

Evaluere effekten av miljø Kjemikalier på Honey Bee utvikling fra den enkelte til Colony nivå

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-sekvenser for analyse Metagenomic jord

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 og Spectral rot bildebehandling for anlegget Phenotyping og fysiologiske forskning: eksperimentelle oppsett og Imaging protokoller

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

Teknikker for å undersøke anatomi av maur visuelle systemet

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

Isolering av Mandibular kjertel reservoaret innholdet fra Bornean "eksploderer maur (Formicidae) for Volatilome analyse av GC-MS og 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 Hybridisering teknikker for parafin-Embedded voksen Coral prøver

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

Obduksjon-baserte villfisk helsevurdering

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

Måle Hypopharyngeal kjertel Acinus størrelse i honningbie (APIene mellifera) arbeidere

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