Name: assessing agrochemical risk to mated honey bee queens
Uploaded: 2021-03-03T14:30:00
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Grazie alla dottoressa Amy Cash-Ahmed, a Nathanael J. Beach e ad Alison L. Sankey per la loro assistenza nello svolgimento di questo lavoro. La menzione di nomi commerciali o prodotti commerciali in questa pubblicazione ha il solo scopo di fornire informazioni specifiche e non implica raccomandazioni o approvazioni da parte del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti. USDA è un fornitore di pari opportunità e datore di lavoro. Questa ricerca è stata supportata da una sovvenzione della Defense Advanced Research Projects Agency # HR0011-16-2-0019 a Gene E. Robinson e Huimin Zhao, dal progetto USDA 2030-21000-001-00-D e dall'esperienza di ricerca sulla plasticità fenotipica per studenti universitari della comunità presso l'Università dell'Illinois a Urbana Champaign.

1. Assemblaggio QMC
<ol><li>Assemblare QMC da parti (Figura 1A) con una singola piastra di deposizione delle uova (ELP) inserita come mostrato nella Figura 1B. Non aggiungere tubi di alimentazione fino a quando i lavoratori non sono stati aggiunti alla gabbia. Coprire temporaneamente i 4 fori di alimentazione con nastro adesivo di laboratorio.</li>
	<li>Inserire l'escluso della regina e la porta della camera di alimentazione sopra la camera di alimentazione pe...

La fecondità degli insetti solitari femminili e delle regine nelle colonie di insetti eusociali può essere influenzata da fattori di stress abiotici come i prodotti agrochimici25,28,29,30,33. Nelle api mellifere, gli effetti dei prodotti agrochimici sulle regine possono essere indiretti, in quanto possono verificarsi attraverso cambiamenti nella loro cura e ...

A causa dell'aumento della domanda globale di prodotti agricoli, le moderne pratiche agricole spesso richiedono l'uso di prodotti agrochimici per controllare numerosi parassiti noti per ridurre o danneggiare i raccolti1. Allo stesso tempo, i coltivatori di molte colture di frutta, verdura e noci si affidano ai servizi di impollinazione forniti dalle colonie commerciali di api da miele per garantire abbondanti raccolti2. Queste pratiche possono comportare che gli impollinatori, comprese le apimellifere ( Apis mellifera), siano esposti a livelli nocivi di residui di pesticidi3. Allo stesso tempo, la diffusa presenza di infestazioni parassitarie di acari Varroa destructor nelle colonie di api da miele richiede spesso agli apicoltori di trattare i loro alveari con miticidi, che possono anche esercitare effetti negativi sulla salute e sulla longevità della colonia4,5,6. Per ridurre e mitigare gli effetti nocivi dei prodotti agrochimici, è necessario valutare appieno la loro sicurezza per le api mellifere prima della loro attuazione in modo che possano essere formulate raccomandazioni per il loro uso per proteggere gli insetti benefici.
Attualmente, l'Environmental Protection Agency (EPA) si basa su una strategia di valutazione del rischio a più livelli per l'esposizione ai pesticidi delle api da miele, che prevede test di laboratorio sulle api adulte e talvolta sulle larve delle api da miele7. Se i test di laboratorio di livello inferiore non riescono ad alleviare i timori di tossicità, possono essere raccomandati test di campo e semi-campo di livello superiore. Mentre questi test di laboratorio forniscono preziose informazioni sui potenziali effetti dei prodotti agrochimici sulla longevità dei lavoratori, non sono necessariamente predittivi dei loro effetti sulle regine, che differiscono significativamente dai lavoratori biologicamente8 e comportamentalmente9. Inoltre, ci sono numerosi potenziali effetti dei prodotti agrochimici sugli insetti oltre la mortalità, che possono avere conseguenze considerevoli per gli insetti sociali che si basano su comportamenti coordinati per funzionare come un'unità di colonia10,11.
Sebbene la mortalità sia l'effetto più comunemente considerato dei pesticidi agrochimici12, questi prodotti possono avere una vasta gamma di effetti sugli artropodi bersaglio e non bersaglio, tra cui comportamento alterato13,14, 15,16,repellenza o attrattiva17,18,19,cambiamenti nei modelli di alimentazione20,21,22 , e fecondità aumentata o diminuita20,21,22,23,24,25. Per gli insetti sociali, questi effetti possono interrompere sistematicamente le interazioni e le funzioni delle colonie11. Di queste funzioni, la riproduzione, che dipende fortemente da una singola regina deposta dalle uova sostenuta dal resto dell'unità di colonia9,può essere particolarmente vulnerabile alle perturbazioni dovute all'esposizione ai pesticidi.
Studi condotti su regine immature hanno dimostrato che l'esposizione dello sviluppo ai miticidi può influenzare il comportamento della regina adulta, la fisiologia, la sopravvivenza26,27. Allo stesso modo, studi che utilizzano colonie di dimensioni piene o ridotte hanno dimostrato che i prodotti agrochimici possono influenzare le regine adulte delle api da miele diminuendo il successo dell'accoppiamento28, diminuendo l'ovodeposizione29e diminuendo la vitalità delle uova prodotte25,30,31. Questi fenomeni sono stati precedentemente difficili da osservare senza l'uso di intere colonie, in gran parte a causa della mancanza di metodi di laboratorio disponibili. Tuttavia, un metodo per studiare l'ovodeposizione della regina in condizioni di laboratorio strettamente controllate utilizzando Queen Monitoring Cages (QMC)32 è stato recentemente adattato per esaminare gli effetti dei prodotti agrochimici sulla fecondità regina33. Qui, queste tecniche sono descritte in dettaglio insieme a metodi aggiuntivi per misurare e tenere traccia del consumo di dieta dei lavoratori nei CQM.
Questi metodi sono più vantaggiosi degli esperimenti che richiedono colonie a grandezza naturale perché consentono la somministrazione di dosi precise di prodotti agrochimici a un numero notevolmente ridotto di lavoratori rispetto alle decine di migliaia tipicamente presenti all'interno di una colonia34, che poi forniscono la regina. Questa tecnica di esposizione rispecchia l'esposizione di seconda mano che le regine sperimenterebbero in scenari del mondo reale perché, all'interno di una colonia, le regine non si nutrono e si affidano ai lavoratori per fornire loro la dieta9. Allo stesso modo, le regine generalmente non lasciano l'alveare tranne durante la riproduzione della colonia (sciame) per i voli di accoppiamento35. Le regine delle api da miele accoppiate possono essere acquistate da allevatori di regine commerciali e spedite durante la notte. In genere, gli allevatori di regine vendono regine direttamente dopo aver confermato che hanno iniziato a deporre le uova, il che è preso come un'indicazione di un accoppiamento riuscito. Se sono necessarie informazioni più precise sull'età della regina o sulla parentela, i ricercatori possono consultare l'allevatore della regina prima di effettuare un ordine.
I QMC consentono l'osservazione e la quantificazione precise dell'ovodeposizione delle api mellifere e dei tassi di schiusa delle uova32,33,fornendo dati preziosi relativi agli effetti dell'esposizione agrochimica sulla fecondità regina. I risultati rappresentativi qui presentati descrivono un esperimento che quantifica l'ovodeposizione, il consumo di dieta e la vitalità degli embrioni nei QMC sotto esposizione cronica a concentrazioni rilevanti sul campo del pesticida neonicotinoide neurotossico sistemico imidacloprid36. Una volta applicato, l'imidacloprid trasloca ai tessuti vegetali37e sono stati rilevati residui il polline e il nettare di numerose piante impollinate dalle api38,39,40. L'esposizione all'imidacloprid può avere una vasta gamma di effetti dannosi sulle api mellifere, tra cui prestazioni di foraggiamento compromesse16,compromissione della funzione immunitaria41e diminuzione dei tassi di espansione e sopravvivenza della colonia42,43. Qui, l'imidacloprid è stata selezionata per l'uso come sostanza in esame perché esperimenti sul campo hanno dimostrato che può influenzare l'ovodeposizione della regina delle api da miele29

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Fluon</td>
			<td>BioQuip, Rancho Dominguez, CA</td>
			<td>2871A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Honey bee queens</td>
			<td>Olivarez Honey Bees, Orland, CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imidacloprid</td>
			<td>Sigma-Aldritch, St. Louis, MO</td>
			<td>37894</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MegaBee Powder</td>
			<td>MegaBee, San Dieago, CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge tubes 2 mL</td>
			<td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td>
			<td>02-682-004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needles 20 gauge</td>
			<td>W. W. Grainger, Lake Forest, IL</td>
			<td>5FVK4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Sulfate</td>
			<td>Sigma-Aldritch, St. Louis, MO</td>
			<td>P0772</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Queen Monitoring Cages</td>
			<td>University of Illinois Urbana-Champaign</td>
			<td></td>
			<td>Patent application number: 20190350175</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sucrose</td>
			<td>Sigma-Aldritch, St. Louis, MO</td>
			<td>S8501</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Microplate Lids</td>
			<td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td>
			<td>5500</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assessing agrochemical risk to mated honey bee queens

Le attuali strategie di valutazione del rischio per le api mellifere si basano fortemente su test di laboratorio eseguiti su api operaie adulte o immature, ma questi metodi potrebbero non catturare con precisione gli effetti dell'esposizione agrochimica sulle regine delle api da miele. Come unico produttore di uova fecondate all'interno di una colonia di api, la regina è probabilmente il membro singolo più importante di un'unità di colonia funzionante. Pertanto, comprendere come i prodotti agrochimici influenzano la salute e la produttività della regina dovrebbe essere considerato un aspetto critico della valutazione del rischio dei pesticidi. Qui, viene presentato un metodo adattato per esporre le regine delle api da miele e le assistenti delle regine operaie a fattori di stress agrochimici somministrati attraverso una dieta dei lavoratori, seguita dal monitoraggio della produzione di uova in laboratorio e dalla valutazione della prima chiusura instar utilizzando una gabbia specializzata, denominata Queen Monitoring Cage. Per illustrare l'uso previsto del metodo, vengono descritti i risultati di un esperimento in cui gli assistenti della regina operaia sono stati nutriti con una dieta contenente dosi subletali di imidacloprid e sono stati monitorati gli effetti sulle regine.

La produzione di uova è stata monitorata in CMC assemblati e mantenuti come descritto sopra con osservazioni una volta al giorno della produzione di uova e 15 gabbie per gruppo di trattamento. Le regine appena accoppiate di stock principalmente carniola sono state acquistate e spedite durante la notte da un allevatore di regine, e i lavoratori delle api da miele sono stati ottenuti da 3 colonie mantenute secondo metodi commerciali standard presso la Bee Research Facility presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champai...

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Assessing Agrochemical Risk to Mated Honey Bee Queens

Questo protocollo è stato sviluppato per migliorare la comprensione di come le sostanze agrochimiche influenzano la riproduzione delle apimellifere ( Apis mellifera) stabilendo metodi per esporre le regine delle api da miele e i loro custodi operai ai prodotti agrochimici in un ambiente controllato e di laboratorio e monitorando attentamente le loro risposte pertinenti.

Valutazione del rischio agrochimico per le regine delle api da miele accoppiate

Current risk assessment strategies for honey bees rely heavily upon laboratory tests performed on adult or immature worker bees, but these methods may not ...

L'esposizione agrochimica può avere un impatto importante su tutti i membri di una colonia di api da miele, incluso il membro più importante, le regine. Ma fino a poco tempo fa, pochi strumenti sono stati disponibili per studiare questi effetti. Questa tecnica consente ai ricercatori di esporre le regine ai prodotti agrochimici in condizioni controllate che simulano le condizioni che potrebbero sperimentare sul campo.È abbastanza facile disturbare i comportamenti di deposizione delle uova delle api, quindi è importante fare attenzione quando si maneggiano lavoratori e regine prima e durante l'esperimento. A dimostrare queste procedure saranno Amy Floyd ed Eliza Litsey, tecnici di laboratorio presso l'Unità di ricerca sulle specie invasive e la salute degli impollinatori, Honeybee Research Lab. Per iniziare, assemblare le gabbie di monitoraggio della regina, o QMC, inserendo i pannelli delle porte, quindi inserire l'escluso della regina nella porta della camera di alimentazione sopra la camera di alimentazione, per impedire alla regina di entrare e contattare la dieta trattata.Inserire un singolo ELP. Non aggiungere tubi di alimentazione fino a quando i lavoratori non sono stati aggiunti alla gabbia e coprire temporaneamente i quattro fori di alimentazione con nastro adesivo di laboratorio. Dopo aver raccolto e incubato i telai a pettine di cera contenenti la covata operaia tappata dalle colonie di api da miele, spazzolare le api chiuse in un contenitore aperto rivestito con una vernice barriera per insetti, per evitare che le api strisciassero fuori.Aggiungere almeno 50 api in peso alla camera di deposizione delle uova di ogni QMC. Per garantire l'introduzione di un pool genetico diversificato, ottenere un numero simile di api operaie da almeno tre colonie e consentire loro di mescolarsi prima di aggiungere api ai QMC. Aggiungere gli alimentatori contenenti soluzione di saccarosio, acqua e integratore di polline.Usa le regine acquistate da un allevatore commerciale entro 48 ore dal ricevimento. Mentre la regina è ancora all'interno della gabbia di spedizione, mettila in un sacchetto di plastica trasparente. Quindi posizionare un'estremità di un tubo di plastica collegato a una bombola di gas di anidride carbonica all'interno del sacchetto e aprire delicatamente la valvola del contenitore per consentire al gas di anidride carbonica di fluire.Quando il sacchetto è stato gonfiato con gas, chiudere contemporaneamente la valvola del contenitore e tenere il sacchetto chiuso per intrappolare il gas all'interno. Tenere la borsa chiusa per 30 secondi o fino a quando la regina non ha smesso di muoversi. Rimuovi la regina aprendo la gabbia di spedizione una volta che la regina è stata osservata incosciente.Aprire parzialmente la porta della camera di deposizione delle uova, posizionare delicatamente la regina incosciente all'interno e chiudere il coperchio. Aggiungere il secondo ELP a ogni QMC. Posizionare un pezzo di nastro da laboratorio sulla parte superiore dei due ELP per evitare che si separino dal telaio QMC e impedire ai lavoratori di uscire dalla gabbia.Posizionare le gabbie in un'incubatrice scura con condizioni ambientali stabili da 34 a 35 gradi Celsius e umidità relativa del 50-70%. Per somministrare la dieta allacciata con prodotti agrochimici, preparare le soluzioni stock di prodotti agrochimici in un solvente appropriato, come l'acetone, ad una concentrazione che può essere aggiunta alla dieta per ottenere la concentrazione finale desiderata dell'agrochimico di interesse. Somministrare i trattamenti agrochimici in una soluzione di saccarosio, un integratore di polline commerciale o entrambi.Preparare la dieta sperimentale per l'uso lo stesso giorno, aggiungendo una quantità appropriata di soluzione madre alla soluzione refrigerata o a temperatura ambiente, 50% di saccarosio. Mescolare accuratamente vorticando a una velocità media. Per gli integratori di polline, aggiungere una quantità calcolata di soluzione madre di prodotti agrochimici alla soluzione di saccarosio e vorticare accuratamente prima di aggiungerlo al supplemento in polvere.Aggiungi la dieta ai tubi di alimentazione e registra i pesi dell'alimentatore prima di inserirli nel QMC. Per quantificare la deposizione delle uova, iniziare rimuovendo i QMC dall'incubatrice. Esaminare il retro degli ELP trasparenti, se sono presenti uova, rimuovere il pannello della porta di fronte alla piastra di interesse.Rimuovere il nastro da tutti gli ELP e far scorrere il pannello della porta tra l'ELP e le api all'interno del QMC. Con il pannello della porta in posizione, rimuovere l'ELP e contare e registrare il numero di uova all'interno delle celle ELP. Rimuovere le uova picchiettando il bordo dell'ELP a celle aperte verso il basso, su una superficie dura.Una volta che le uova cadono, sostituire l'ELP vuoto nel QMC. Rimuovere e sostituire delicatamente il pannello della porta dietro l'ELP all'esterno del QMC. Ripetere se necessario con il secondo ELP e sostituire il nastro attraverso il QMC al termine.Per monitorare il consumo di cibo, sostituire il cibo con una dieta preparata al momento ogni due giorni. Preparare nuovi tubi di alimentazione e pesarli prima di iniziare le attività di monitoraggio della produzione di uova. Scambia i vecchi tubi con quelli nuovi e pesa i vecchi tubi prima di smaltirli.Confrontare il peso finale del tubo di alimentazione e la dieta non consumata con il peso dello stesso tubo, per stimare il consumo di dieta. Controlla una volta al giorno per assicurarti che gli alimentatori non siano mai vuoti. Se un tubo di alimentazione è vuoto o quasi vuoto, rimuoverlo, riempirlo, registrare il peso del tubo prima e dopo e aggiungere la differenza al consumo di dieta totale di due giorni per il QMC.In un punto selezionato durante un esperimento QMC, rimuovere gli ELP contenenti uova appena deposte dal QMC come descritto in precedenza, ma non rimuovere le uova dall'ELP. Coprire l'ELP prima con un sigillo a piastra PCR, quindi un coperchio universale in micropiastra e posizionarlo all'interno di un essiccatore con una soluzione satura di solfato di potassio. Valutare i tassi di schiusa circa 78 ore dopo la rimozione degli ELP dal QMC.Una larva a forma di C nella parte inferiore della cellula è indicativa di un evento di schiusa di successo. Se i QMC erano stati popolati con lavoratori in eccesso, campionare le api operaie in un punto temporale selezionato durante l'esperimento per valutare i cambiamenti indotti dal trattamento nella loro fisiologia. Prima di campionare, posizionare un pannello della porta tra un ELP e l'interno del QMC e rimuovere l'ELP.Con attenzione, sollevare il pannello della porta a circa 0,5 centimetri dalla base della gabbia e rimuovere un'ape operaia dall'interno del QMC utilizzando pinzette di peso piuma. Per l'analisi dell'espressione genica, congelare le api in azoto liquido e conservarle a 80 gradi Celsius. Conservare l'ape raccolta per l'analisi di follow-up e ripetere questo processo fino a quando non è stato raccolto il numero desiderato di campioni.I cambiamenti legati al trattamento con imidacloprid alimentare nella conta giornaliera delle uova sono stati valutati implementando un'equazione di stima generalizzata lineare del log di Poisson, con una matrice di correlazione auto-regressiva. La produzione giornaliera di uova era significativamente più bassa nei CMC dato il supplemento di polline e il saccarosio contenente 50 parti per miliardo di imidacloprid. È stato osservato un effetto dose-dipendente sul numero totale di uova prodotte in ciascunA QMC per i trattamenti con imidacloprid somministrati sia in saccarosio che in integratore di polline.Con la più grande riduzione osservata nei QMC alimentati con 50 parti per miliardo di imidacloprid, seguita da 10 parti per miliardo di integratore di polline più saccarosio. Non è stata osservata alcuna differenza nel totale delle uova prodotte tra il controllo e i QMC alimentati con 10 parti per miliardo di imidacloprid e supplemento di polline da solo. Supplemento di polline, consumo di acqua e saccarosio sono stati registrati ogni 48 ore per 10 o 12 giorni.I tassi giornalieri di consumo di saccarosio sono aumentati significativamente con il progredire dell'esperimento, ma i tassi di consumo di integratori di polline sono diminuiti. Tassi più elevati di consumo di polline sono stati osservati quando 10 parti per miliardo di imidacloprid sono state somministrate nel solo integratore di polline. E il tasso è diminuito quando 10 o 50 parti per miliardo sono state somministrate in supplemento di polline e soluzione di saccarosio insieme.L'uso di api di un giorno è fondamentale per garantire l'accettazione della regina e per ridurre la riattivazione eccessiva del lavoratore. Fondamentale è anche l'attenta gestione della regina e il mantenimento delle gabbie in un ambiente stabile.

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