Vielen Dank für Ihren Besuch auf Nature.com. Ihre Browserversion bietet nur eingeschränkte CSS-Unterstützung. Für eine optimale Darstellung empfehlen wir Ihnen, eine neuere Browserversion zu verwenden (oder den Kompatibilitätsmodus im Internet Explorer zu deaktivieren). Um die fortlaufende Unterstützung zu gewährleisten, wird die Website bis dahin ohne CSS-Formatierung und JavaScript angezeigt.
Fungizide werden häufig während der Blütezeit von Obstbäumen eingesetzt und können bestäubende Insekten gefährden. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie andere Bestäuber als Bienen (z. B. Wildbienen, Osmia cornifrons) auf Kontakt- und systemische Fungizide reagieren, die üblicherweise während der Blütezeit bei Äpfeln verwendet werden. Diese Wissenslücke schränkt die regulatorischen Entscheidungen hinsichtlich sicherer Konzentrationen und des optimalen Zeitpunkts für die Fungizidspritzung ein. Wir untersuchten die Auswirkungen von zwei Kontaktfungiziden (Captan und Mancozeb) und vier Zwischenschicht-/Phytosystemfungiziden (Ciprocyclin, Myclobutanil, Pyristrobin und Trifloxystrobin). Untersucht wurden die Auswirkungen auf Gewichtszunahme, Überlebensrate, Geschlechterverhältnis und bakterielle Diversität der Larven. Die Untersuchung erfolgte mittels eines chronischen oralen Bioassays, bei dem Pollen in drei Dosierungen behandelt wurde: der aktuell empfohlenen Dosierung für die Anwendung im Freiland (1x), der halben Dosierung (0,5x) und der niedrigen Dosierung (0,1x). Alle Dosierungen von Mancozeb und Pyritisolin reduzierten signifikant das Körpergewicht und die Überlebensrate der Larven. Wir sequenzierten anschließend das 16S-Gen, um das larvale Bakteriom von Mancozeb, dem Fungizid mit der höchsten Mortalität, zu charakterisieren. Dabei stellten wir fest, dass die bakterielle Diversität und Abundanz in Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, signifikant reduziert waren. Unsere Laborergebnisse deuten darauf hin, dass das Spritzen einiger dieser Fungizide während der Blütezeit besonders schädlich für die Gesundheit von O. cornifrons ist. Diese Erkenntnisse sind relevant für zukünftige Managemententscheidungen hinsichtlich der nachhaltigen Anwendung von Obstbaumschutzmitteln und dienen als Grundlage für regulatorische Prozesse zum Schutz von Bestäubern.
Die solitär lebende Mauerbiene Osmia cornifrons (Hymenoptera: Megachilidae) wurde Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre aus Japan in die USA eingeführt und spielt seither eine wichtige Rolle als Bestäuber in bewirtschafteten Ökosystemen. Eingebürgerte Populationen dieser Biene gehören zu den etwa 50 Wildbienenarten, die die Bestäubung von Mandel- und Apfelplantagen in den USA ergänzen2,3. Mauerbienen sind zahlreichen Herausforderungen ausgesetzt, darunter Lebensraumfragmentierung, Krankheitserreger und Pestizide3,4. Fungizide beeinträchtigen unter anderem die Energieaufnahme, die Nahrungssuche5 und die körperliche Verfassung6,7. Obwohl neuere Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass die Gesundheit von Mauerbienen direkt von kommensalen und ektobatischen Mikroorganismen beeinflusst wird8,9, da Bakterien und Pilze die Ernährung und Immunantworten beeinflussen können, werden die Auswirkungen von Fungiziden auf die mikrobielle Diversität von Mauerbienen erst seit Kurzem erforscht.
Fungizide mit unterschiedlicher Wirkungsweise (Kontakt- und systemische Fungizide) werden in Obstplantagen vor und während der Blütezeit gespritzt, um Krankheiten wie Apfelschorf, Bitterfäule, Braunfäule und Mehltau zu bekämpfen10,11. Da Fungizide für Bestäuber als unschädlich gelten, werden sie Gärtnern während der Blütezeit empfohlen. Die Aufnahme dieser Fungizide durch Bienen ist relativ gut erforscht, da sie Teil des Zulassungsverfahrens für Pflanzenschutzmittel durch die US-Umweltschutzbehörde (EPA) und viele andere nationale Regulierungsbehörden ist12,13,14. Die Auswirkungen von Fungiziden auf Nicht-Bienen sind jedoch weniger gut bekannt, da sie in den USA nicht in den Zulassungsvereinbarungen für die Vermarktung vorgeschrieben sind15. Zudem gibt es in der Regel keine standardisierten Protokolle für die Untersuchung einzelner Bienen16,17, und die Haltung von Bienenvölkern, die für solche Untersuchungen zur Verfügung stehen, ist schwierig18. In Europa und den USA werden zunehmend Versuche mit verschiedenen Nutzbienenarten durchgeführt, um die Auswirkungen von Pestiziden auf Wildbienen zu untersuchen. Für O. cornifrons19 wurden kürzlich standardisierte Protokolle entwickelt.
Hornbienen sind monozytär und werden in der Karpfenzucht als Ergänzung oder Ersatz für Honigbienen eingesetzt. Diese Bienen schlüpfen zwischen März und April, wobei die frühreifen Männchen drei bis vier Tage vor den Weibchen erscheinen. Nach der Paarung sammelt das Weibchen aktiv Pollen und Nektar, um in der röhrenförmigen Nesthöhle (natürlich oder künstlich) eine Reihe von Brutzellen anzulegen1,20. Die Eier werden auf Pollen in den Zellen abgelegt; anschließend baut das Weibchen eine Lehmwand, bevor es die nächste Zelle vorbereitet. Die Larven im ersten Stadium sind vom Chorion umschlossen und ernähren sich von Embryonalflüssigkeit. Vom zweiten bis zum fünften Stadium (Vorpuppe) ernähren sich die Larven von Pollen22. Sobald der Pollenvorrat vollständig aufgebraucht ist, verpuppen sich die Larven und schlüpfen als adulte Bienen in derselben Brutkammer, üblicherweise im Spätsommer20,23. Die adulten Bienen schlüpfen im folgenden Frühjahr. Das Überleben der adulten Bienen hängt von der Nettoenergiezunahme (Gewichtszunahme) ab, die sich aus der Nahrungsaufnahme ergibt. Somit sind die Nährstoffqualität des Pollens sowie andere Faktoren wie Wetter oder die Exposition gegenüber Pestiziden entscheidend für das Überleben und die Gesundheit24.
Insektizide und Fungizide, die vor der Blüte ausgebracht werden, können sich in unterschiedlichem Maße innerhalb des Gefäßsystems der Pflanze bewegen, von translaminar (z. B. von der Blattoberseite zur Blattunterseite, wie bei einigen Fungiziden)25 bis hin zu systemischen Wirkungen. Einige Pestizide, die von den Wurzeln aus in die Sprosskrone eindringen können, gelangen in den Nektar von Apfelblüten26 und können dort adulte O. cornifrons abtöten27. Manche Pestizide gelangen auch in den Pollen, beeinträchtigen die Entwicklung von Maislarven und führen zu deren Tod19. Andere Studien haben gezeigt, dass einige Fungizide das Nistverhalten der verwandten Art O. lignaria signifikant verändern können28. Darüber hinaus haben Labor- und Feldstudien, die Pestizidbelastungsszenarien (einschließlich Fungizide) simulierten, gezeigt, dass Pestizide die Physiologie22, Morphologie29 und das Überleben von Honigbienen und einigen Solitärbienen negativ beeinflussen. Verschiedene Fungizidsprays, die während der Blütezeit direkt auf geöffnete Blüten aufgetragen werden, können den von den adulten Tieren für die Larvenentwicklung gesammelten Pollen verunreinigen; die Auswirkungen müssen noch untersucht werden30.
Es wird zunehmend anerkannt, dass die Larvenentwicklung durch Pollen und die mikrobielle Zusammensetzung des Verdauungssystems beeinflusst wird. Das Mikrobiom der Honigbiene beeinflusst Parameter wie Körpermasse31, Stoffwechselveränderungen22 und die Anfälligkeit für Krankheitserreger32. Frühere Studien untersuchten den Einfluss von Entwicklungsstadium, Nährstoffen und Umwelt auf das Mikrobiom von Solitärbienen. Diese Studien zeigten Ähnlichkeiten in Struktur und Häufigkeit des Larven- und Pollenmikrobioms33 sowie der häufigsten Bakteriengattungen Pseudomonas und Delftia bei verschiedenen Solitärbienenarten. Obwohl Fungizide mit Strategien zum Schutz der Bienengesundheit in Verbindung gebracht werden, sind die Auswirkungen von Fungiziden auf die Larvenmikrobiota nach direkter oraler Aufnahme noch unerforscht.
Diese Studie untersuchte die Auswirkungen von praxisnahen Dosierungen sechs häufig verwendeter, in den USA für den Einsatz an Baumfrüchten zugelassener Fungizide. Dabei wurden Kontakt- und systemische Fungizide oral an Larven des Maiszünslers aus kontaminiertem Futter verabreicht. Es zeigte sich, dass Kontakt- und systemische Fungizide die Gewichtszunahme der Bienen verringerten und die Mortalität erhöhten, wobei Mancozeb und Pyrithiopid die stärksten Auswirkungen hatten. Anschließend verglichen wir die mikrobielle Diversität von Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, mit derjenigen von Larven, die eine Kontrollgruppe erhielten. Wir diskutieren mögliche Mechanismen, die der Mortalität zugrunde liegen, sowie die Implikationen für integrierte Schädlings- und Bestäubermanagementprogramme (IPPM)36.
Adulte O. cornifrons, die in Kokons überwinterten, wurden vom Fruit Research Center in Biglerville, Pennsylvania, bezogen und bei −3 bis 2 °C (±0,3 °C) gelagert. Vor dem Experiment (insgesamt 600 Kokons) wurden im Mai 2022 täglich 100 O. cornifrons-Kokons in Plastikbecher (50 Kokons pro Becher, Durchmesser 5 cm × Länge 15 cm) umgesetzt. Um das Öffnen der Kokons zu fördern und ein kaubares Substrat bereitzustellen, wurden Feuchttücher in die Becher gelegt, wodurch der Stress für die Steinbienen reduziert wurde.37 Zwei Plastikbecher mit Kokons wurden in einen Insektenkäfig (30 × 30 × 30 cm, BugDorm MegaView Science Co. Ltd., Taiwan) mit 10 ml Futterbehältern, die eine 50%ige Saccharoselösung enthielten, gestellt und vier Tage lang inkubiert, um das Schließen der Kokons und die Paarung zu gewährleisten. 23 °C, relative Luftfeuchtigkeit 60 %, Photoperiode 10 l (niedrige Intensität): 14 Tage. 100 begattete Weibchen und Männchen wurden sechs Tage lang jeden Morgen (100 pro Tag) während der Hauptblütezeit der Äpfel in zwei künstliche Nester freigelassen (Fangnest: Breite 33,66 × Höhe 30,48 × Länge 46,99 cm; Abbildung 1 im Anhang). Die blauen Vogelhäuser befinden sich im Pennsylvania State Arboretum, in der Nähe von Kirschbäumen (Prunus cerasus 'Eubank' Sweet Cherry Pie™), Pfirsichbäumen (Prunus persica 'Contender', Prunus persica 'PF 27A' Flamin Fury®), Birnenbäumen (Pyrus perifolia 'Olympic', Pyrus perifolia 'Shinko', Pyrus perifolia 'Shinseiki'), dem Kronenapfelbaum (Malus coronaria) und zahlreichen Apfelsorten (Malus coronaria, Malus), dem Kulturapfelbaum 'Co-op 30′ Enterprise™', dem Apfelbaum 'Co-Op 31′ Winecrisp™', den Begonien 'Freedom', 'Golden Delicious' und 'Nova Spy'. Jedes blaue Vogelhaus aus Kunststoff passt auf zwei Holzkisten. Jeder Nistkasten enthielt 800 leere Kraftpapierröhren (spiralförmig geöffnet, 0,8 cm Innendurchmesser × 15 cm Länge) (Jonesville Paper Tube Co., Michigan), die in undurchsichtige Zellophanröhren (0,7 cm Außendurchmesser) eingesetzt waren. Kunststoffstopfen (T-1X-Stopfen) dienten als Nistplätze.
Beide Nistkästen waren nach Osten ausgerichtet und mit grünem Kunststoff-Gartenzaun (Everbilt Modell Nr. 889250EB12, Maschenweite 5 × 5 cm, 0,95 m × 100 m) abgedeckt, um den Zugang von Nagetieren und Vögeln zu verhindern. Der Zaun wurde neben den Nistkästen auf der Bodenoberfläche platziert. (Nistkasten in Abbildung 1a im Anhang). Maiszünsler-Eier wurden täglich gesammelt, indem 30 Röhrchen aus den Nestern entnommen und ins Labor transportiert wurden. Dazu wurde das Ende des Röhrchens mit einer Schere eingeschnitten und die Spirale auseinandergenommen, um die Brutzellen freizulegen. Einzelne Eier und deren Pollen wurden mit einem gebogenen Spatel (Mikroslide-Werkzeugset, BioQuip Products Inc., Kalifornien) entnommen. Die Eier wurden auf feuchtem Filterpapier in einer Petrischale zwei Stunden lang inkubiert, bevor sie in den Experimenten verwendet wurden (Abbildung 1b–d im Anhang).
Im Labor untersuchten wir die orale Toxizität von sechs Fungiziden, die vor und während der Apfelblüte in drei Konzentrationen (0,1x, 0,5x und 1x, wobei 1x der Dosierung pro 100 Gallonen Wasser/Acre entspricht; hohe Felddosis = Feldkonzentration; siehe Tabelle 1) angewendet wurden. Jede Konzentration wurde 16-mal wiederholt (n = 16). Die Toxizität von zwei Kontaktfungiziden (Tabelle S1: Mancozeb 2696,14 ppm und Captan 2875,88 ppm) und vier systemischen Fungiziden (Tabelle S1: Pyrithiostrobin 250,14 ppm; Trifloxystrobin 110,06 ppm; Myclobutanilazol 75,12 ppm; Cyprodinil 280,845 ppm) gegenüber Obst, Gemüse und Zierpflanzen wurde untersucht. Wir homogenisierten den Pollen mit einem Mahlwerk, überführten 0,20 g in eine Vertiefung einer 24-Well-Falcon-Platte und vermischten diese mit 1 μL Fungizidlösung, um pyramidenförmigen Pollen in 1 mm tiefen Vertiefungen zu erhalten, in die die Eier platziert wurden. Die Platzierung erfolgte mit einem Minispatel (Ergänzende Abbildung 1c,d). Die Falcon-Platten wurden bei Raumtemperatur (25 °C) und 70 % relativer Luftfeuchtigkeit gelagert. Wir verglichen sie mit Kontrolllarven, die mit einer homogenen Pollendiät, angereichert mit reinem Wasser, gefüttert wurden. Wir erfassten die Mortalität und maßen das Larvengewicht jeden zweiten Tag bis zum Erreichen des Vorpuppenstadiums mit einer Analysenwaage (Fisher Scientific, Genauigkeit = 0,0001 g). Abschließend wurde das Geschlechterverhältnis durch Öffnen des Kokons nach 2,5 Monaten bestimmt.
DNA wurde aus ganzen O. cornifrons-Larven extrahiert (n = 3 pro Behandlungsgruppe, Mancozeb-behandelter und unbehandelter Pollen). An diesen Proben führten wir Analysen der mikrobiellen Diversität durch, insbesondere da bei Larven, die MnZn erhielten, die höchste Mortalität unter Mancozeb beobachtet wurde. Die DNA wurde amplifiziert, mit dem DNAZymoBIOMICS®-96 MagBead DNA Kit (Zymo Research, Irvine, CA) gereinigt und auf einem Illumina® MiSeq™ mit dem v3 Kit sequenziert (600 Zyklen). Die gezielte Sequenzierung bakterieller 16S ribosomaler RNA-Gene erfolgte mit dem Quick-16S™ NGS Library Prep Kit (Zymo Research, Irvine, CA) unter Verwendung von Primern, die auf die V3-V4-Region des 16S rRNA-Gens abzielen. Zusätzlich wurde eine 18S-Sequenzierung unter Verwendung von 10% PhiX-Einschluss durchgeführt, und die Amplifikation erfolgte mit dem Primerpaar 18S001 und NS4.
Die gepaarten Reads wurden mithilfe der QIIME2-Pipeline (v2022.11.1) importiert und verarbeitet.39 Anschließend wurden die Reads getrimmt und zusammengeführt, und chimäre Sequenzen wurden mithilfe des DADA2-Plugins in QIIME2 (qiime dada2 noise pairing)40 entfernt. Die Zuordnung der 16S- und 18S-Klassen erfolgte mit dem Objektklassifikator-Plugin Classify-sklearn und dem vortrainierten Artefakt silva-138-99-nb-classifier.
Alle experimentellen Daten wurden auf Normalverteilung (Shapiro-Wilk-Test) und Varianzhomogenität (Levene-Test) geprüft. Da die Daten die Voraussetzungen für eine parametrische Analyse nicht erfüllten und die Transformation die Residuen nicht standardisierte, führten wir eine nichtparametrische zweifaktorielle ANOVA (Kruskal-Wallis-Test) mit zwei Faktoren [Zeitpunkt (drei Phasen: 2, 5 und 8 Tage) und Fungizid] durch, um den Behandlungseffekt auf das Frischgewicht der Larven zu untersuchen. Anschließend wurden paarweise Vergleiche mittels Wilcoxon-Test durchgeführt. Wir verwendeten ein generalisiertes lineares Modell (GLM) mit Poisson-Verteilung, um die Auswirkungen von Fungiziden auf das Überleben bei drei Fungizidkonzentrationen zu vergleichen.41,42 Für die Analyse der differentiellen Häufigkeit wurde die Anzahl der Amplikonsequenzvarianten (ASVs) auf Gattungsebene zusammengefasst. Vergleiche der differentiellen Häufigkeit zwischen Gruppen anhand der relativen Häufigkeit von 16S (Gattungsebene) und 18S wurden mithilfe eines generalisierten additiven Modells für Position, Skala und Form (GAMLSS) mit Beta-Null-inflatierten (BEZI) Familienverteilungen durchgeführt. Die Modellierung erfolgte mit einem Makro in Microbiome R43 (v1.1). 1) Mitochondriale und chloroplastidäre Spezies wurden vor der Differenzanalyse entfernt. Aufgrund der unterschiedlichen taxonomischen Ebenen von 18S wurde für die Differenzanalysen nur die niedrigste Ebene jedes Taxons verwendet. Alle statistischen Analysen wurden mit R (v. 3.4.3, CRAN-Projekt) (Team 2013) durchgeführt.
Die Exposition gegenüber Mancozeb, Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin reduzierte die Gewichtszunahme von O. cornifrons signifikant (Abb. 1). Diese Effekte wurden bei allen drei untersuchten Dosen konsistent beobachtet (Abb. 1a–c). Cyclostrobin und Myclobutanil reduzierten das Gewicht der Larven nicht signifikant.
Durchschnittliches Frischgewicht der Stängelbohrerlarven, gemessen zu drei Zeitpunkten unter vier Fütterungsbehandlungen (homogenes Pollenfutter + Fungizid: Kontrolle, 0,1-fache, 0,5-fache und 1-fache Dosis). (a) Niedrige Dosis (0,1-fach): erster Messzeitpunkt (Tag 1): χ²: 30,99, df = 6; P < 0,0001, zweiter Messzeitpunkt (Tag 5): 22,83, df = 0,0009; dritter Messzeitpunkt (Tag 8): χ²: 28,39, df = 6; (b) halbe Dosis (0,5-fach): erster Messzeitpunkt (Tag 1): χ²: 35,67, df = 6; P < 0,0001, zweiter Messzeitpunkt (Tag 1): χ²: 15,98, df = 6; P = 0,0090. Dritter Messzeitpunkt (Tag 8): χ²: 16,47, df = 6; (c) Injektionsort oder volle Dosis (1x): Erster Messzeitpunkt (Tag 1): χ²: 20,64, p = 6; p = 0,0326; zweiter Messzeitpunkt (Tag 5): χ²: 22,83, df = 6; p = 0,0009; dritter Messzeitpunkt (Tag 8): χ²: 28,39, df = 6; nichtparametrische Varianzanalyse. Die Balken stellen den Mittelwert ± Standardfehler der paarweisen Vergleiche dar (α = 0,05) (n = 16). *p ≤ 0,05, **p ≤ 0,001, ***p ≤ 0,0001.
Bei der niedrigsten Dosis (0,1x) reduzierte sich das Körpergewicht der Larven um 60 % durch Trifloxystrobin, um 49 % durch Mancozeb, um 48 % durch Myclobutanil und um 46 % durch Pyrithiostrobin (Abb. 1a). Bei Exposition gegenüber der halben Felddosis (0,5x) sank das Körpergewicht der Mancozeb-Larven um 86 %, das der Pyrithiostrobin-Larven um 52 % und das der Trifloxystrobin-Larven um 50 % (Abb. 1b). Eine volle Felddosis (1x) von Mancozeb reduzierte das Larvengewicht um 82 %, das von Pyrithiostrobin um 70 % und das von Trifloxystrobin, Myclobutanil und Sangard um jeweils etwa 30 % (Abb. 1c).
Die Mortalität war bei Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, am höchsten, gefolgt von Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin. Mit steigenden Dosen von Mancozeb und Pyritisol nahm die Mortalität zu (Abb. 2; Tab. 2). Die Mortalität des Maiszünslers stieg jedoch mit zunehmender Trifloxystrobin-Konzentration nur geringfügig an; Cyprodinil und Captan erhöhten die Mortalität im Vergleich zu den Kontrollbehandlungen nicht signifikant.
Die Mortalität von Maisbohrfliegenlarven wurde nach der Aufnahme von Pollen verglichen, der jeweils mit sechs verschiedenen Fungiziden behandelt worden war. Mancozeb und Pentopyramid zeigten eine stärkere Wirkung auf die orale Exposition der Maisfliegen (GLM: χ² = 29,45, DF = 20, P = 0,0059) (Linie, Steigung = 0,29, P < 0,001; Steigung = 0,24, P < 0,00)).
Im Durchschnitt aller Behandlungen waren 39,05 % der Patienten weiblich und 60,95 % männlich. In den Kontrollgruppen lag der Frauenanteil sowohl in den Studien mit niedriger Dosis (0,1-fach) als auch mit halber Dosis (0,5-fach) bei 40 % und in den Studien mit Felddosis (1-fach) bei 30 %. Bei einer Dosis von 0,1-fach waren unter den mit Mancozeb und Myclobutanil behandelten, pollenernährten Larven 33,33 % der adulten Tiere weiblich, 22 % der adulten Larven weiblich, 44 % der adulten Larven weiblich, 41 % der adulten Larven weiblich und in der Kontrollgruppe 31 % (Abb. 3a). Bei der halben Dosis waren 33 % der adulten Würmer in der Mancozeb- und Pyrithiostrobin-Gruppe weiblich, 36 % in der Trifloxystrobin-Gruppe, 41 % in der Myclobutanil-Gruppe und 46 % in der Cyprostrobin-Gruppe. In der Captan-Gruppe lag dieser Anteil bei 53 % und in der Kontrollgruppe bei 38 % (Abb. 3b). Bei der einfachen Dosis (1x) waren 30 % der Würmer in der Mancozeb-Gruppe weiblich, 36 % in der Pyrithiostrobin-Gruppe, 44 % in der Trifloxystrobin-Gruppe, 38 % in der Myclobutanil-Gruppe und 50 % in der Kontrollgruppe (38,5 %) (Abb. 3c).
Prozentsatz weiblicher und männlicher Bohrer nach Fungizidbehandlung des Larvenstadiums. (a) Niedrige Dosis (0,1X). (b) Halbe Dosis (0,5X). (c) Felddosis bzw. volle Dosis (1X).
Die 16S-Sequenzanalyse zeigte, dass sich die Bakterienzusammensetzung zwischen Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, und Larven, die mit unbehandeltem Pollen gefüttert wurden, unterschied (Abb. 4a). Der mikrobielle Index unbehandelter, mit Pollen gefütterter Larven war höher als der von Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden (Abb. 4b). Obwohl der beobachtete Unterschied in der Artenvielfalt zwischen den Gruppen statistisch nicht signifikant war, war sie signifikant geringer als bei Larven, die mit unbehandeltem Pollen gefüttert wurden (Abb. 4c). Die relative Häufigkeit zeigte, dass die Mikrobiota von Larven, die mit Kontrollpollen gefüttert wurden, diverser war als die von Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden (Abb. 5a). Die deskriptive Analyse ergab das Vorhandensein von 28 Gattungen in den Kontroll- und Mancozeb-behandelten Proben (Abb. 5b). Die Analyse mittels 18S-Sequenzierung ergab keine signifikanten Unterschiede (Ergänzende Abbildung 2).
SAV-Profile basierend auf 16S-Sequenzen wurden mit dem Shannon-Reichtum und dem beobachteten Reichtum auf Phylum-Ebene verglichen. (a) Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) basierend auf der Gesamtstruktur der mikrobiellen Gemeinschaft in unbehandelten, pollengefütterten oder Kontrolllarven (blau) und mit Mancozeb gefütterten Larven (orange). Jeder Datenpunkt repräsentiert eine separate Probe. Die PCoA wurde mithilfe der Bray-Curtis-Distanz der multivariaten t-Verteilung berechnet. Ovale stellen das 80%-Konfidenzintervall dar. (b) Boxplot mit den Rohdaten des Shannon-Reichtums (Punkte) und c) dem beobachteten Reichtum. Die Boxplots zeigen die Boxen für die Medianlinie, den Interquartilsabstand (IQR) und das 1,5-fache des IQR (n = 3).
Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften von Larven, die mit Mancozeb-behandeltem und unbehandeltem Pollen gefüttert wurden. (a) Relative Häufigkeit der Sequenzdaten mikrobieller Gattungen in den Larven. (b) Heatmap der identifizierten mikrobiellen Gemeinschaften. Delftia (Odds Ratio (OR) = 0,67, P = 0,0030) und Pseudomonas (OR = 0,3, P = 0,0074), Microbacterium (OR = 0,75, P = 0,0617) (OR = 1,5, P = 0,0060); Die Zeilen der Heatmap sind anhand der Korrelationsdistanz und der durchschnittlichen Konnektivität gruppiert.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die orale Aufnahme von Kontaktfungiziden (Mancozeb) und systemischen Fungiziden (Pyrostrobin und Trifloxystrobin), die während der Blütezeit häufig eingesetzt werden, die Gewichtszunahme von Maislarven signifikant verringerte und deren Mortalität erhöhte. Darüber hinaus reduzierte Mancozeb die Diversität und Artenvielfalt des Mikrobioms im Vorpuppenstadium signifikant. Myclobutanil, ein weiteres systemisches Fungizid, verringerte die Gewichtszunahme der Larven bei allen drei Dosierungen signifikant. Dieser Effekt war am zweiten (Tag 5) und dritten (Tag 8) Messzeitpunkt deutlich erkennbar. Im Gegensatz dazu reduzierten Cyprodinil und Captan weder die Gewichtszunahme noch das Überleben im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant. Unseres Wissens ist dies die erste Arbeit, die die Auswirkungen von Feldaufwandmengen verschiedener Fungizide zum Schutz von Maiskulturen durch direkten Pollenkontakt untersucht.
Alle Fungizidbehandlungen reduzierten die Gewichtszunahme der Larven im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant. Mancozeb zeigte mit einer durchschnittlichen Reduktion von 51 % die stärkste Wirkung, gefolgt von Pyrithiostrobin. Andere Studien berichteten jedoch nicht über negative Auswirkungen von Fungiziden in Felddosen auf Larvenstadien44. Obwohl Dithiocarbamat-Biozide eine geringe akute Toxizität aufweisen45, können Ethylenbisdithiocarbamate (EBDCS) wie Mancozeb zu Ethylensulfid abgebaut werden. Aufgrund seiner mutagenen Wirkung bei anderen Tieren könnte dieses Abbauprodukt für die beobachteten Effekte verantwortlich sein46,47. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Bildung von Ethylenthioharnstoff durch Faktoren wie erhöhte Temperatur48, Luftfeuchtigkeit49 und Lagerdauer50 beeinflusst wird. Geeignete Lagerbedingungen für Biozide können diese Nebenwirkungen mindern. Darüber hinaus äußerte die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit Bedenken hinsichtlich der Toxizität von Pyrithiopid, das sich bei anderen Tieren als krebserregend für deren Verdauungssystem erwiesen hat.51
Die orale Verabreichung von Mancozeb, Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin erhöht die Mortalität von Maiszünslerlarven. Myclobutanil, Ciprocyclin und Captan hingegen hatten keinen Einfluss auf die Mortalität. Diese Ergebnisse unterscheiden sich von denen von Ladurner et al.52, die zeigten, dass Captan das Überleben adulter O. lignaria und der Honigbiene (Apis mellifera L.) (Hymenoptera, Apisidae) signifikant reduzierte. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Fungizide wie Captan und Boscalid die Larvenmortalität52,53,54 erhöhen oder das Fressverhalten verändern55. Diese Veränderungen können wiederum die Nährstoffqualität des Pollens und letztendlich den Energiegewinn im Larvenstadium beeinträchtigen. Die in der Kontrollgruppe beobachtete Mortalität stimmte mit anderen Studien überein56,57.
Das in unserer Studie beobachtete männlich-dominante Geschlechterverhältnis lässt sich möglicherweise durch Faktoren wie unzureichende Paarung und ungünstige Witterungsbedingungen während der Blütezeit erklären, wie Vicens und Bosch bereits für O. cornuta vermuteten. Obwohl Weibchen und Männchen in unserer Studie vier Tage Zeit zur Paarung hatten (ein Zeitraum, der allgemein als ausreichend für eine erfolgreiche Paarung gilt), reduzierten wir die Lichtintensität bewusst, um Stress zu minimieren. Diese Maßnahme könnte jedoch unbeabsichtigt den Paarungsprozess beeinträchtigt haben61. Zudem sind Bienen mehrere Tage widrigen Witterungsbedingungen wie Regen und niedrigen Temperaturen (< 5 °C) ausgesetzt, was sich ebenfalls negativ auf den Paarungserfolg auswirken kann4,23.
Obwohl sich unsere Studie auf das gesamte Larvenmikrobiom konzentrierte, liefern unsere Ergebnisse Einblicke in mögliche Zusammenhänge zwischen Bakteriengemeinschaften, die für die Bienenernährung und die Exposition gegenüber Fungiziden entscheidend sein könnten. So wiesen Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, im Vergleich zu Larven, die unbehandelten Pollen fraßen, eine signifikant reduzierte Struktur und Abundanz der mikrobiellen Gemeinschaft auf. Bei Larven, die unbehandelten Pollen konsumierten, dominierten die Bakteriengruppen Proteobacteria und Actinobacteria und waren überwiegend aerob oder fakultativ aerob. Delft-Bakterien, die üblicherweise mit Solitärbienenarten assoziiert sind, besitzen bekanntermaßen antibiotische Aktivität, was auf eine potenzielle Schutzfunktion gegen Krankheitserreger hindeutet. Eine weitere Bakterienart, Pseudomonas, war bei Larven, die mit unbehandeltem Pollen gefüttert wurden, häufig, jedoch bei mit Mancozeb behandelten Larven signifikant reduziert. Unsere Ergebnisse bestätigen frühere Studien, die Pseudomonas als eine der häufigsten Gattungen in O. bicornis35 und anderen Solitärwespen34 identifizierten. Obwohl experimentelle Belege für die Rolle von Pseudomonas für die Gesundheit von O. cornifrons fehlen, wurde gezeigt, dass dieses Bakterium die Synthese schützender Toxine im Käfer Paederus fuscipes fördert und den Argininstoffwechsel in vitro anregt35, 65. Diese Beobachtungen deuten auf eine mögliche Rolle bei der Abwehr von Viren und Bakterien während der Entwicklung der O. cornifrons-Larven hin. Microbacterium ist eine weitere in unserer Studie identifizierte Gattung, die in Larven der Schwarzen Soldatenfliege unter Hungerbedingungen in hoher Anzahl vorkommt66. In O. cornifrons-Larven könnten Mikroorganismen zum Gleichgewicht und zur Resilienz des Darmmikrobioms unter Stressbedingungen beitragen. Darüber hinaus findet sich Rhodococcus in O. cornifrons-Larven und ist für seine Entgiftungsfähigkeiten bekannt67. Diese Gattung kommt auch im Darm von A. florea vor, jedoch in sehr geringer Anzahl68. Unsere Ergebnisse belegen das Vorhandensein vielfältiger genetischer Variationen in zahlreichen mikrobiellen Taxa, die Stoffwechselprozesse in Larven verändern können. Ein besseres Verständnis der funktionellen Diversität von O. cornifrons ist jedoch erforderlich.
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Mancozeb, Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin die Gewichtszunahme verringerten und die Mortalität von Maiszünslerlarven erhöhten. Obwohl die Auswirkungen von Fungiziden auf Bestäuber zunehmend Besorgnis erregen, ist es notwendig, die Effekte der Restmetaboliten dieser Verbindungen besser zu verstehen. Diese Ergebnisse können in Empfehlungen für integrierte Bestäubermanagementprogramme einfließen, die Landwirten helfen, den Einsatz bestimmter Fungizide vor und während der Blüte von Obstbäumen zu vermeiden, indem sie Fungizide auswählen und den Anwendungszeitpunkt variieren oder die Verwendung weniger schädlicher Alternativen fördern. Diese Informationen sind wichtig für die Entwicklung von Empfehlungen zum Pflanzenschutzmitteleinsatz, wie z. B. die Anpassung bestehender Spritzprogramme und die Änderung des Spritzzeitpunkts bei der Auswahl von Fungiziden oder die Förderung der Verwendung weniger gefährlicher Alternativen. Weitere Forschung ist erforderlich, um die negativen Auswirkungen von Fungiziden auf das Geschlechterverhältnis, das Fressverhalten, das Darmmikrobiom und die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die dem Gewichtsverlust und der Mortalität des Maiszünslers zugrunde liegen.
Die Quelldaten 1, 2 und 3 aus Abbildung 1 und 2 wurden im figshare-Datenrepository unter den DOIs https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24996245 und https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24996233 hinterlegt. Die in dieser Studie analysierten Sequenzen (Abb. 4, 5) sind im NCBI SRA-Repository unter der Zugangsnummer PRJNA1023565 verfügbar.
Bosch, J. und Kemp, WP Entwicklung und Etablierung von Honigbienenarten als Bestäuber von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen: das Beispiel der Gattung Osmia (Hymenoptera: Megachilidae) und Obstbäumen. Bull. Newmore Resource. 92, 3–16 (2002).
Parker, MG et al. Bestäubungspraktiken und Wahrnehmungen alternativer Bestäuber bei Apfelbauern in New York und Pennsylvania. Aktualisierung. Landwirtschaft. Ernährungssysteme. 35, 1–14 (2020).
Koch I., Lonsdorf EW, Artz DR, Pitts-Singer TL und Ricketts TH. Ökologie und Ökonomie der Mandelbestäubung durch einheimische Bienen. J. Economics. Newmore. 111, 16–25 (2018).
Lee, E., He, Y. und Park, Y.-L. Auswirkungen des Klimawandels auf die Phänologie des Tragopans: Implikationen für das Populationsmanagement. Climb. Change 150, 305–317 (2018).
Artz, DR und Pitts-Singer, TL: Einfluss von Fungizid- und Adjuvans-Sprays auf das Nestverhalten zweier gehaltener Solitärbienenarten (Osmia lignaria und Megachile rotundata). PLoS One 10, e0135688 (2015).
Beauvais, S. et al. Ein schwach toxisches Fungizid (Fenbuconazol) stört die Signale der männlichen Fortpflanzungsqualität und führt dadurch zu einem geringeren Paarungserfolg bei wilden Solitärbienen. J. Apps. ecology. 59, 1596–1607 (2022).
Sgolastra F. et al. Neonicotinoid-Insektizide und die Ergosterolbiosynthese unterdrücken die synergistische Fungizidmortalität bei drei Bienenarten. Pest control. the science. 73, 1236–1243 (2017).
Kuhneman JG, Gillung J, Van Dyck MT, Fordyce RF und Danforth BN. Solitäre Wespenlarven verändern die bakterielle Diversität, die durch Pollen an stammnistende Bienen der Art Osmia cornifrons (Megachilidae) geliefert wird. front. microorganism. 13, 1057626 (2023).
Dharampal PS, Danforth BN und Steffan SA Die ektosymbiotischen Mikroorganismen in fermentiertem Pollen sind für die Entwicklung solitärer Bienen ebenso wichtig wie der Pollen selbst. ecology. evolution. 12. e8788 (2022).
Kelderer M, Manici LM, Caputo F und Thalheimer M. Zwischenreihenpflanzung in Apfelplantagen zur Bekämpfung von Wiederaussaatkrankheiten: eine praktische Wirksamkeitsstudie auf der Grundlage mikrobieller Indikatoren. Plant Soil 357, 381–393 (2012).
Martin PL, Kravchik T., Khodadadi F., Achimovich SG und Peter KA. Bitterfäule an Äpfeln im mittleren Atlantikraum der Vereinigten Staaten: Bewertung der verursachenden Arten und des Einflusses regionaler Wetterbedingungen und Sortenanfälligkeit. Phytopathology 111, 966–981 (2021).
Cullen MG, Thompson LJ, Carolan JK, Stout JK und Stanley DA. Fungizide, Herbizide und Bienen: eine systematische Übersicht bestehender Forschung und Methoden. PLoS One 14, e0225743 (2019).
Pilling, ED und Jepson, PC Synergistische Effekte von EBI-Fungiziden und Pyrethroid-Insektiziden auf Honigbienen (Apis mellifera). Pests the Science. 39, 293–297 (1993).
Mussen, EC, Lopez, JE und Peng, CY: Einfluss ausgewählter Fungizide auf Wachstum und Entwicklung von Honigbienenlarven Apis mellifera L. (Hymenoptera: Apidae). Wednesday. Ntomore. 33, 1151-1154 (2004).
Van Dyke, M., Mullen, E., Wickstead, D. und McArt, S. Entscheidungshilfe für den Einsatz von Pestiziden zum Schutz von Bestäubern in Baumplantagen (Cornell University, 2018).
Iwasaki, JM und Hogendoorn, K. Exposition von Bienen gegenüber Nicht-Pestiziden: ein Überblick über Methoden und berichtete Ergebnisse. Agriculture. ecosystem. Wednesday. 314, 107423 (2021).
Kopit AM, Klinger E, Cox-Foster DL, Ramirez RA und Pitts-Singer TL. Einfluss der Futterart und der Pestizidbelastung auf die Larvenentwicklung von Osmia lignaria (Hymenoptera: Megachilidae). Wednesday. Ntomore. 51, 240–251 (2022).
Kopit AM und Pitts-Singer TL. Wege der Pestizidexposition bei solitär lebenden Bienen in leeren Nestern. Wednesday. Ntomore. 47, 499–510 (2018).
Pan, NT et al. Ein neues Protokoll für einen Ingestions-Bioassay zur Beurteilung der Pestizidtoxizität bei adulten Japanischen Gartenbienen (Osmia cornifrons). The Science Reports 10, 9517 (2020).
Veröffentlichungsdatum: 14. Mai 2024