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Fungizide werden häufig während der Blütezeit von Obstbäumen eingesetzt und können bestäubende Insekten gefährden. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie nicht-bienenartige Bestäuber (z. B. Solitärbienen, Osmia cornifrons) auf Kontakt- und systemische Fungizide reagieren, die üblicherweise während der Blüte bei Äpfeln verwendet werden. Diese Wissenslücke schränkt behördliche Entscheidungen zur Festlegung sicherer Konzentrationen und Zeitpunkte von Fungizidspritzungen ein. Wir untersuchten die Wirkungen von zwei Kontaktfungiziden (Captan und Mancozeb) und vier Interlayer-/Phytosystem-Fungiziden (Ciprocyclin, Myclobutanil, Pyrostrobin und Trifloxystrobin). Auswirkungen auf Gewichtszunahme und Überleben der Larven, Geschlechterverhältnis und Bakterienvielfalt. Die Bewertung erfolgte mittels eines chronischen oralen Bioassays, bei dem Pollen in drei Dosen behandelt wurde, basierend auf der derzeit empfohlenen Dosis für den Feldeinsatz (1X), halber Dosis (0,5X) und niedriger Dosis (0,1X). Alle Dosen von Mancozeb und Pyritisolin reduzierten das Körpergewicht und das Überleben der Larven signifikant. Anschließend sequenzierten wir das 16S-Gen, um das Larvenbakteriom von Mancozeb zu charakterisieren, dem Fungizid mit der höchsten Mortalitätsrate. Wir stellten fest, dass die bakterielle Vielfalt und Häufigkeit bei Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, deutlich reduziert war. Unsere Laborergebnisse deuten darauf hin, dass das Versprühen einiger dieser Fungizide während der Blütezeit besonders schädlich für die Gesundheit von O. cornifrons ist. Diese Informationen sind relevant für zukünftige Managemententscheidungen zum nachhaltigen Einsatz von Obstbaumschutzmitteln und dienen als Grundlage für Regulierungsprozesse zum Schutz von Bestäubern.
Die Solitär-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 Bestäuberrolle in bewirtschafteten Ökosystemen. Eingebürgerte Populationen dieser Biene sind Teil von etwa 50 Wildbienenarten, die die Bienen ergänzen, die in den USA Mandel- und Apfelplantagen bestäuben2,3. Mauerbienen sind mit vielen Herausforderungen konfrontiert, darunter Lebensraumfragmentierung, Krankheitserreger und Pestizide3,4. Unter den Insektiziden verringern Fungizide die Energieaufnahme, die Nahrungssuche5 und die Körperkondition6,7. Obwohl neuere Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass die Gesundheit von Mauerbienen direkt von kommensalen und ektobaktischen Mikroorganismen beeinflusst wird,8,9 da Bakterien und Pilze die Ernährung und Immunreaktionen beeinflussen können, werden die Auswirkungen der Fungizidexposition auf die mikrobielle Vielfalt von Mauerbienen gerade erst erforscht.
Fungizide mit unterschiedlicher Wirkung (Kontakt- und systemische Wirkung) werden in Obstgärten vor und während der Blüte versprüht, um Krankheiten wie Apfelschorf, Bitterfäule, Braunfäule und Echten Mehltau zu behandeln10,11. Fungizide gelten als unschädlich für Bestäuber und werden daher Gärtnern während der Blütezeit empfohlen. Der Kontakt mit diesen Fungiziden und ihre Aufnahme durch Bienen sind relativ gut erforscht, da dies Teil des Pestizid-Registrierungsprozesses der US-Umweltschutzbehörde und vieler anderer nationaler Regulierungsbehörden ist12,13,14. Die Auswirkungen von Fungiziden auf Nicht-Bienen sind jedoch weniger bekannt, da sie in den USA gemäß den Zulassungsvereinbarungen nicht vorgeschrieben sind15. Darüber hinaus gibt es im Allgemeinen keine standardisierten Protokolle für Tests an einzelnen Bienen16,17, und die Aufrechterhaltung von Kolonien, die Bienen für Tests bereitstellen, ist eine Herausforderung18. In Europa und den USA werden zunehmend Versuche mit verschiedenen Arten von Nutzbienen durchgeführt, um die Auswirkungen von Pestiziden auf Wildbienen zu untersuchen. Für O. cornifrons wurden vor kurzem standardisierte Protokolle entwickelt19.
Hornbienen sind Monozyten und werden kommerziell 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 schlüpfen. Nach der Paarung sammelt das Weibchen aktiv Pollen und Nektar, um eine Reihe von Brutzellen in der röhrenförmigen Nesthöhle (natürlich oder künstlich) anzulegen1,20. Die Eier werden auf Pollen in den Zellen abgelegt; das Weibchen baut dann eine Lehmwand, bevor es die nächste Zelle vorbereitet. Die Larven des ersten Stadiums werden im Chorion eingeschlossen und ernähren sich von Embryoflüssigkeiten. Vom zweiten bis zum fünften Stadium (Vorpuppe) ernähren sich die Larven von Pollen22. Wenn der Pollenvorrat vollständig aufgebraucht ist, bilden die Larven Kokons, verpuppen sich und schlüpfen als erwachsene Tiere in derselben Brutkammer, normalerweise im Spätsommer20,23. Die erwachsenen Tiere schlüpfen im folgenden Frühjahr. Das Überleben der erwachsenen Tiere hängt von der Nettoenergiezunahme (Gewichtszunahme) ab, die auf der Nahrungsaufnahme basiert. Daher sind die Nährstoffqualität des Pollens sowie andere Faktoren wie das Wetter oder die Belastung mit Pestiziden entscheidende Faktoren für Überleben und Gesundheit24.
Vor der Blüte ausgebrachte Insektizide und Fungizide können sich in unterschiedlichem Ausmaß im Gefäßsystem der Pflanze bewegen, von translaminar (z. B. können sie sich von der Oberseite der Blätter zur Unterseite bewegen, wie einige Fungizide) 25 bis hin zu wirklich systemischen Effekten. , die von den Wurzeln aus in die Krone eindringen können, können in den Nektar von Apfelblüten gelangen 26, wo sie erwachsene O. cornifrons töten können 27. Einige Pestizide gelangen auch in den Pollen, beeinträchtigen die Entwicklung der Maislarven und führen zu deren Tod 19. Andere Studien haben gezeigt, dass einige Fungizide das Nistverhalten der verwandten Art O. lignaria signifikant verändern können 28. Außerdem haben Labor- und Feldstudien, die Szenarien der Pestizidexposition (einschließlich Fungizide) simulierten, gezeigt, dass Pestizide die Physiologie 22 und Morphologie 29 sowie das Überleben von Honigbienen und einigen Solitärbienen negativ beeinflussen. Verschiedene fungizide Sprays, die während der Blüte direkt auf die geöffneten Blüten aufgetragen werden, können den von den erwachsenen Tieren für die Larvenentwicklung gesammelten Pollen kontaminieren. Die Auswirkungen müssen noch untersucht werden30.
Es wird zunehmend anerkannt, dass die Larvenentwicklung durch Pollen und mikrobielle Gemeinschaften des Verdauungssystems beeinflusst wird. Das Mikrobiom der Honigbiene beeinflusst Parameter wie Körpermasse31, Stoffwechselveränderungen22 und Anfälligkeit für Krankheitserreger32. Frühere Studien haben den Einfluss von Entwicklungsstadium, Nährstoffen und Umwelt auf das Mikrobiom von Solitärbienen untersucht. Diese Studien zeigten Ähnlichkeiten in der Struktur und Häufigkeit der Larven- und Pollenmikrobiome33 sowie der häufigsten Bakteriengattungen Pseudomonas und Delftia bei Solitärbienenarten. Obwohl Fungizide mit Strategien zum Schutz der Bienengesundheit in Verbindung gebracht werden, sind die Auswirkungen von Fungiziden auf die Larvenmikrobiota durch direkte orale Exposition noch unerforscht.
In dieser Studie wurden die Auswirkungen von sechs häufig verwendeten und für den Einsatz an Obstbäumen in den USA zugelassenen Fungiziden in realen Dosen untersucht. Dazu gehörten Kontakt- und systemische Fungizide, die Larven des Maisschwärmers aus kontaminierten Lebensmitteln oral verabreicht wurden. Wir fanden heraus, dass Kontakt- und systemische Fungizide die Gewichtszunahme der Bienen verringerten und die Sterblichkeit erhöhten, wobei die schwerwiegendsten Auswirkungen mit Mancozeb und Pyrithiopid in Verbindung gebracht wurden. Anschließend verglichen wir die mikrobielle Vielfalt der Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, mit denen der Kontrollgruppe. Wir erörtern mögliche Mechanismen, die der Sterblichkeit zugrunde liegen, und die Auswirkungen auf Programme zur integrierten Schädlings- und Bestäuberbekämpfung (IPPM)36.
Ausgewachsene O. cornifrons, die in Kokons überwintern, wurden vom Fruit Research Center, Biglerville, PA, bezogen und bei −3 bis 2 °C (±0,3 °C) gelagert. Vor dem Experiment (insgesamt 600 Kokons). Im Mai 2022 wurden täglich 100 O. cornifrons-Kokons in Plastikbecher überführt (50 Kokons pro Becher, DI 5 cm × 15 cm lang) und Tücher wurden in die Becher gelegt, um das Öffnen zu fördern und ein kaubares Substrat bereitzustellen, wodurch der Stress für die Steinbienen reduziert wurde37. Stellen Sie zwei Plastikbecher mit Kokons in einen Insektenkäfig (30 × 30 × 30 cm, BugDorm MegaView Science Co. Ltd., Taiwan) mit 10 ml-Futtertrögen mit 50 %iger Saccharoselösung und lagern Sie sie vier Tage lang, um das Schließen und die Paarung sicherzustellen. 23 °C, relative Luftfeuchtigkeit 60 %, Photoperiode 10 l (geringe Intensität): 14 Tage. 100 verpaarte Weibchen und Männchen wurden während der Blütezeit der Apfelbäume sechs Tage lang jeden Morgen (100 pro Tag) in zwei künstliche Nester entlassen (Fallennest: Breite 33,66 × Höhe 30,48 × Länge 46,99 cm; ergänzende Abbildung 1). Platziert im Pennsylvania State Arboretum, in der Nähe von Kirsche (Prunus cerasus ‚Eubank‘ Sweet Cherry Pie™), Pfirsich (Prunus persica ‚Contender‘), Prunus persica ‚PF 27A‘ Flamin Fury®), Birne (Pyrus perifolia ‚Olympic‘, Pyrus perifolia ‚Shinko‘, Pyrus perifolia ‚Shinseiki‘), Coronaria-Apfelbaum (Malus coronaria) und zahlreichen Apfelbaumsorten (Malus coronaria, Malus), einheimischem Apfelbaum ‚Co-op 30‘ Enterprise™, Malus-Apfelbaum ‚Co-Op 31‘ Winecrisp™, Begonie ‚Freedom‘, Begonie ‚Golden Delicious‘, Begonie ‚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 Außendurchmesser, siehe Plastikstopfen (T-1X-Stopfen)) eingesetzt waren, die als Nistplätze dienten.
Beide Nistkästen waren nach Osten ausgerichtet und mit einem grünen Gartenzaun aus Kunststoff (Everbilt Modell Nr. 889250EB12, Öffnungsgröße 5 × 5 cm, 0,95 m × 100 m) abgedeckt, um Nagetieren und Vögeln den Zugang zu verwehren. Sie wurden auf die Erdoberfläche neben den Erdkästen der Nistkästen gestellt. Nistkasten (Ergänzende Abbildung 1a). Maiszünslereier wurden täglich gesammelt, indem 30 Röhrchen aus den Nestern entnommen und ins Labor transportiert wurden. Mit einer Schere wurde am Ende des Röhrchens ein Schnitt gemacht und das Spiralröhrchen auseinandergenommen, um die Brutzellen freizulegen. Einzelne Eier und ihr Pollen wurden mit einem gebogenen Spatel (Microslide-Toolkit, BioQuip Products Inc., Kalifornien) entfernt. Die Eier wurden auf feuchtem Filterpapier inkubiert und 2 Stunden in eine Petrischale gelegt, bevor sie in unseren Experimenten verwendet wurden (Ergänzende Abbildung 1b-d).
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 die Anwendungsmenge pro 100 Gallonen Wasser/Acre ist. Hohe Felddosis = Konzentration im Feld). , Tabelle 1). Jede Konzentration wurde 16-mal wiederholt (n = 16). Zwei Kontaktfungizide (Tabelle S1: Mancozeb 2696,14 ppm und Captan 2875,88 ppm) und vier systemische Fungizide (Tabelle S1: Pyrithiostrobin 250,14 ppm; Trifloxystrobin 110,06 ppm; Myclobutanilazol 75,12 ppm; Cyprodinil 280,845 ppm) zeigten eine Toxizität gegenüber Obst, Gemüse und Zierpflanzen. Wir homogenisierten den Pollen mit einer Mühle, gaben 0,20 g in eine Vertiefung (Falcon-Platte mit 24 Vertiefungen) und fügten 1 μl Fungizidlösung hinzu und vermischten es, um pyramidenförmigen Pollen mit 1 mm tiefen Vertiefungen zu bilden, in die die Eier gelegt wurden. Mit einem Minispatel platzieren (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 gefüttert und mit reinem Wasser behandelt wurden. Wir zeichneten die Mortalität auf und maßen das Larvengewicht jeden zweiten Tag, bis die Larven das vorpuppenalter erreichten. Dazu verwendeten wir eine Analysenwaage (Fisher Scientific, Genauigkeit = 0,0001 g). Schließlich wurde das Geschlechterverhältnis durch Öffnen des Kokons nach 2,5 Monaten bestimmt.
DNA wurde aus ganzen O. cornifrons-Larven extrahiert (n = 3 pro Behandlungsbedingung, mit Mancozeb behandelter und unbehandelter Pollen) und wir führten an diesen Proben mikrobielle Diversitätsanalysen durch, insbesondere weil bei Mancozeb die höchste Mortalität bei Larven beobachtet wurde, die MnZn erhielten. 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 wurde mit dem Quick-16S™ NGS Library Prep Kit (Zymo Research, Irvine, CA) unter Verwendung von Primern durchgeführt, 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 wurde unter Verwendung des Primerpaars 18S001 und NS4 durchgeführt.
Importieren und verarbeiten Sie gepaarte Reads39 mithilfe der QIIME2-Pipeline (v2022.11.1). Diese Reads wurden gekürzt und zusammengeführt, und chimäre Sequenzen wurden mithilfe des DADA2-Plugins in QIIME2 (qiime dada2 noise pairing)40 entfernt. Die 16S- und 18S-Klassenzuordnungen wurden mithilfe des Objektklassifizierer-Plugins Classify-sklearn und des vortrainierten Artefakts silva-138-99-nb-classifier durchgeführt.
Alle experimentellen Daten wurden auf Normalität (Shapiro-Wilks) und Homogenität der Varianzen (Levene-Test) überprüft. Da der Datensatz die Annahmen der parametrischen Analyse nicht erfüllte und die Transformation die Residuen nicht standardisieren konnte, führten wir eine nichtparametrische zweifaktorielle ANOVA (Kruskal-Wallis) mit zwei Faktoren [Zeit (dreiphasige Zeitpunkte von 2, 5 und 8 Tagen) und Fungizid] durch, um die Wirkung der Behandlung auf das Frischgewicht der Larven zu bewerten. Anschließend wurden nachträglich nichtparametrische paarweise Vergleiche mithilfe des Wilcoxon-Tests durchgeführt. Wir verwendeten ein verallgemeinertes lineares Modell (GLM) mit einer Poisson-Verteilung, um die Wirkung von Fungiziden auf das Überleben bei drei Fungizidkonzentrationen zu vergleichen41,42. Für die Analyse der differentiellen Häufigkeit wurde die Anzahl der Amplikonsequenzvarianten (ASVs) auf Gattungsebene zusammengefasst. Vergleiche der differentiellen Häufigkeit zwischen Gruppen unter Verwendung von 16S (Gattungsebene) und 18S relativer Häufigkeit wurden unter Verwendung eines verallgemeinerten additiven Modells für Position, Maßstab und Form (GAMLSS) mit Beta-Null-inflationären (BEZI) Familienverteilungen durchgeführt, die auf einem Makromodell in Microbiome R43 (v1.1) modelliert wurden. 1). Entfernen Sie mitochondriale und Chloroplastenarten vor der differentiellen Analyse. Aufgrund der unterschiedlichen taxonomischen Ebenen von 18S wurde für die differentiellen Analysen nur die niedrigste Ebene jedes Taxons verwendet. Alle statistischen Analysen wurden unter Verwendung von R (v. 3.4.3., CRAN-Projekt) durchgeführt (Team 2013).
Die Exposition gegenüber Mancozeb, Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin reduzierte die Gewichtszunahme bei O. cornifrons signifikant (Abb. 1). Diese Effekte wurden bei allen drei untersuchten Dosierungen beobachtet (Abb. 1a–c). Cyclostrobin und Myclobutanil führten zu keiner signifikanten Gewichtsreduzierung der Larven.
Durchschnittliches Frischgewicht der Stängelbohrerlarven, gemessen zu drei Zeitpunkten unter vier Diätbehandlungen (homogene Pollenfütterung + Fungizid: Kontrolle, 0,1-fache, 0,5-fache und 1-fache Dosis). (a) Niedrige Dosis (0,1-fache): erster Zeitpunkt (Tag 1): χ2: 30,99, DF = 6; P < 0,0001, zweiter Zeitpunkt (Tag 5): 22,83, DF = 0,0009; dritter Zeitpunkt (Tag 8): χ2: 28,39, DF = 6; (b) halbe Dosis (0,5-fache): erster Zeitpunkt (Tag 1): χ2: 35,67, DF = 6; P < 0,0001, zweiter Zeitpunkt (Tag 1): χ2: 15,98, DF = 6; P = 0,0090; dritter Zeitpunkt (Tag 8) χ2: 16,47, DF = 6; (c) Stelle oder volle Dosis (1X): erster Zeitpunkt (Tag 1) χ2: 20,64, P = 6; P = 0,0326, zweiter Zeitpunkt (Tag 5): χ2: 22,83, DF = 6; P = 0,0009; dritter Zeitpunkt (Tag 8): χ2: 28,39, DF = 6; nichtparametrische Varianzanalyse. Balken stellen Mittelwert ± SE von paarweisen Vergleichen 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 mit Trifloxystrobin um 60 %, mit Mancozeb um 49 %, mit Myclobutanil um 48 % und mit Pyrithiostrobin um 46 % (Abb. 1a). Bei der halben Felddosis (0,5X) reduzierte sich das Körpergewicht der Mancozeb-Larven um 86 %, mit Pyrithiostrobin um 52 % und mit Trifloxystrobin um 50 % (Abb. 1b). Eine volle Felddosis (1X) Mancozeb reduzierte das Larvengewicht um 82 %, mit Pyrithiostrobin um 70 % und mit Trifloxystrobin, Myclobutanil und Sangard um etwa 30 % (Abb. 1c).
Die Sterblichkeit war bei Larven, die mit Mancozeb-Pollen gefüttert wurden, am höchsten, gefolgt von Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin. Die Sterblichkeit stieg mit steigenden Mancozeb- und Pyritisolin-Dosen (Abb. 2; Tabelle 2). Die Sterblichkeit des Maiszünslers stieg jedoch nur geringfügig mit steigenden Trifloxystrobin-Konzentrationen an; Cyprodinil und Captan erhöhten die Sterblichkeit im Vergleich zu Kontrollbehandlungen nicht signifikant.
Die Mortalität von Borerfliegenlarven nach Aufnahme von Pollen, der mit sechs verschiedenen Fungiziden behandelt worden war, wurde verglichen. Mancozeb und Pentopyramid reagierten empfindlicher auf die orale Exposition gegenüber Maismaden (GLM: χ = 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. Unter den Kontrollbehandlungen betrug der Frauenanteil sowohl in den Studien mit niedriger Dosis (0,1X) als auch mit halber Dosis (0,5X) 40 % und in den Studien mit Felddosis (1X) 30 %. Bei der 0,1-fachen Dosis waren unter den mit Pollen gefütterten Larven, die mit Mancozeb und Myclobutanil behandelt wurden, 33,33 % der erwachsenen Larven weiblich, 22 % der erwachsenen Larven weiblich, 44 % der erwachsenen Larven weiblich, 41 % der erwachsenen Larven weiblich und 31 % der Kontrolllarven (Abb. 3a). Bei der 0,5-fachen 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 Wert bei 53 % und in der Kontrollgruppe bei 38 % (Abb. 3b). Bei der 1-fachen Dosis waren 30 % der Mancozeb-Gruppe weiblich, 36 % der Pyrithiostrobin-Gruppe, 44 % der Trifloxystrobin-Gruppe, 38 % der Myclobutanil-Gruppe und 50 % der Kontrollgruppe – 38,5 % (Abb. 3c).
Prozentsatz weiblicher und männlicher Bohrer nach Fungizidexposition im Larvenstadium. (a) Niedrige Dosis (0,1-fach). (b) Halbe Dosis (0,5-fach). (c) Felddosis oder volle Dosis (1-fach).
Die 16S-Sequenzanalyse zeigte, dass sich die Bakteriengruppe zwischen Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, und Larven, die mit unbehandeltem Pollen gefüttert wurden, unterschied (Abb. 4a). Der mikrobielle Index der unbehandelten Larven, die mit Pollen gefüttert wurden, war höher als der der Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden (Abb. 4b). Obwohl der beobachtete Unterschied im Reichtum zwischen den Gruppen statistisch nicht signifikant war, war er deutlich niedriger als der für Larven, die mit unbehandeltem Pollen gefüttert wurden (Abb. 4c). Die relative Häufigkeit zeigte, dass die Mikrobiota der Larven, die mit Kontrollpollen gefüttert wurden, vielfältiger war als die der Larven, die mit Mancozeb-behandelten Larven gefüttert wurden (Abb. 5a). Die deskriptive Analyse ergab das Vorhandensein von 28 Gattungen in Kontroll- und Mancozeb-behandelten Proben (Abb. 5b). c Die Analyse mittels 18S-Sequenzierung ergab keine signifikanten Unterschiede (Ergänzende Abbildung 2).
SAV-Profile basierend auf 16S-Sequenzen wurden mit der Shannon-Reichtumsdichte und der beobachteten Reichhaltigkeit auf Phylumebene verglichen. (a) Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) basierend auf der Gesamtstruktur der mikrobiellen Gemeinschaft in unbehandelten, pollengefütterten oder Kontrolllarven (blau) und Mancozeb-gefütterten Larven (orange). Jeder Datenpunkt stellt eine separate Probe dar. PCoA wurde mithilfe der Bray-Curtis-Distanz der multivariaten t-Verteilung berechnet. Ovale stellen das 80-%-Konfidenzniveau dar. (b) Boxplot, Rohdaten zur Shannon-Reichtumsdichte (Punkte) und c. Beobachtbare Reichhaltigkeit. Boxplots zeigen Boxen für Medianlinie, Interquartilsabstand (IQR) und 1,5 × IQR (n = 3).
Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften von Larven, die mit Mancozeb-behandeltem und unbehandeltem Pollen gefüttert wurden. (a) Relative Häufigkeit mikrobieller Gattungen in 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 Gabe von Kontaktfungiziden (Mancozeb) und systemischen Fungiziden (Pyrostrobin und Trifloxystrobin), die während der Blütezeit häufig angewendet werden, die Gewichtszunahme der Maislarven signifikant verringerte und die Sterblichkeit erhöhte. Darüber hinaus reduzierte Mancozeb die Vielfalt und den Reichtum des Mikrobioms während der präpuppen Phase signifikant. Myclobutanil, ein weiteres systemisches Fungizid, reduzierte die Gewichtszunahme der Larven bei allen drei Dosierungen signifikant. Dieser Effekt war zum zweiten (Tag 5) und dritten (Tag 8) Zeitpunkt offensichtlich. Im Gegensatz dazu reduzierten Cyprodinil und Captan die Gewichtszunahme oder das Überleben im Vergleich zur Kontrollgruppe nicht signifikant. Unseres Wissens ist dies die erste Arbeit, die die Auswirkungen verschiedener Feldmengen verschiedener Fungizide untersucht, die zum Schutz von Maispflanzen vor direkter Pollenexposition eingesetzt werden.
Alle Fungizidbehandlungen reduzierten die Gewichtszunahme im Vergleich zu Kontrollbehandlungen signifikant. Mancozeb hatte mit einer durchschnittlichen Reduktion von 51 % den größten Effekt auf die Gewichtszunahme der Larven, gefolgt von Pyrithiostrobin. Andere Studien haben jedoch keine negativen Auswirkungen von Fungiziden in Felddosen auf die Larvenstadien berichtet44. Obwohl Dithiocarbamat-Biozide eine geringe akute Toxizität aufweisen45, können Ethylenbisdithiocarbamate (EBDCS) wie Mancozeb zu Harnstoffethylensulfid abgebaut werden. Aufgrund seiner mutagenen Wirkung auf andere Tiere könnte dieses Abbauprodukt für die beobachteten Wirkungen verantwortlich sein46,47. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Bildung von Ethylenthioharnstoff durch Faktoren wie erhöhte Temperatur48, Luftfeuchtigkeit49 und Lagerdauer des Produkts50 beeinflusst wird. Richtige Lagerbedingungen für Biozide können diese Nebenwirkungen mildern. Darüber hinaus hat die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit ihre Besorgnis über die Toxizität von Pyrithiopid zum Ausdruck gebracht, das nachweislich krebserregend auf das Verdauungssystem anderer Tiere wirkt51.
Die orale Verabreichung von Mancozeb, Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin erhöht die Mortalität von Maiszünslerlarven. Im Gegensatz dazu hatten Myclobutanil, Ciprocyclin und Captan keinen Einfluss auf die Mortalität. Diese Ergebnisse unterscheiden sich von denen von Ladurner et al.52, die zeigten, dass Captan die Überlebensrate adulter O. lignaria und Apis mellifera L. (Hymenoptera, Apisidae) signifikant reduzierte. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Fungizide wie Captan und Boscalid Larvensterblichkeit verursachen52,53,54 oder das Fressverhalten verändern55. Diese Veränderungen wiederum können die Nährstoffqualität des Pollens und letztendlich den Energiegewinn im Larvenstadium beeinträchtigen. Die in der Kontrollgruppe beobachtete Mortalität stimmte mit anderen Studien überein 56,57.
Das in unserer Arbeit beobachtete, männchenbegünstigende Geschlechterverhältnis lässt sich möglicherweise durch Faktoren wie unzureichende Paarung und schlechte Wetterbedingungen während der Blütezeit erklären, wie bereits zuvor von Vicens und Bosch für O. cornuta vorgeschlagen. Obwohl Weibchen und Männchen in unserer Studie vier Tage Zeit hatten, sich zu paaren (ein Zeitraum, der allgemein als ausreichend für eine erfolgreiche Paarung angesehen wird), haben wir die Lichtintensität absichtlich reduziert, um Stress zu minimieren. Diese Veränderung kann jedoch den Paarungsprozess unbeabsichtigt stören61. Darüber hinaus sind die Bienen mehrere Tage lang widrigen Wetterbedingungen ausgesetzt, darunter Regen und niedrige Temperaturen (<5 °C), was sich ebenfalls negativ auf den Paarungserfolg auswirken kann4,23.
Obwohl sich unsere Studie auf das gesamte Larvenmikrobiom konzentrierte, bieten unsere Ergebnisse Einblicke in mögliche Beziehungen zwischen Bakteriengemeinschaften, die für die Ernährung der Bienen und die Fungizidbelastung entscheidend sein können. Beispielsweise wiesen Larven, die mit Mancozeb-behandeltem Pollen gefüttert wurden, eine signifikant reduzierte mikrobielle Gemeinschaftsstruktur und -häufigkeit auf als Larven, die unbehandelten Pollen gefüttert bekamen. Bei Larven, die unbehandelten Pollen fraßen, waren die Bakteriengruppen Proteobacteria und Actinobacteria dominant und waren überwiegend aerob oder fakultativ aerob. Delft-Bakterien, die normalerweise mit solitären Bienenarten assoziiert werden, sind für ihre antibiotische Aktivität bekannt, was auf eine potenzielle Schutzfunktion gegen Krankheitserreger hindeutet. Eine andere Bakterienart, Pseudomonas, kam in Larven, die unbehandelten Pollen gefüttert wurden, reichlich vor, war jedoch in mit Mancozeb behandelten Larven signifikant reduziert. Unsere Ergebnisse stützen frühere Studien, die Pseudomonas als eine der am häufigsten vorkommenden Gattungen in O. bicornis35 und anderen solitären Wespen34 identifizierten. Obwohl es keine experimentellen Beweise für die Rolle von Pseudomonas für die Gesundheit von O. cornifrons gibt, wurde gezeigt, dass dieses Bakterium die Synthese von Schutztoxinen im Käfer Paederus fuscipes fördert und den Argininstoffwechsel in vitro unterstützt 35, 65. Diese Beobachtungen weisen auf eine mögliche Rolle bei der Virus- und Bakterienabwehr während der Entwicklung der Larven von O. cornifrons hin. Microbacterium ist eine weitere in unserer Studie identifizierte Gattung, die Berichten zufolge in großen Mengen in Larven der Schwarzen Soldatenfliege unter Hungerbedingungen vorkommt66. In Larven von O. cornifrons können Mikrobakterien zum Gleichgewicht und zur Widerstandsfähigkeit des Darmmikrobioms unter Stressbedingungen beitragen. Außerdem kommt Rhodococcus in Larven von O. cornifrons vor und ist für seine entgiftenden Fähigkeiten bekannt67. Diese Gattung kommt auch im Darm von A. florea vor, jedoch in sehr geringer Häufigkeit68. Unsere Ergebnisse zeigen das Vorhandensein mehrerer genetischer Variationen in zahlreichen mikrobiellen Taxa, die Stoffwechselprozesse in Larven verändern können. Es bedarf jedoch eines besseren Verständnisses der funktionellen Diversität von O. cornifrons.
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Mancozeb, Pyrithiostrobin und Trifloxystrobin die Gewichtszunahme der Maiszünslerlarven verringerten und die Sterblichkeit erhöhten. Obwohl die Besorgnis über die Auswirkungen von Fungiziden auf Bestäuber wächst, müssen die Auswirkungen der Restmetaboliten dieser Verbindungen besser verstanden werden. 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 36. Diese Informationen sind wichtig für die Entwicklung von Empfehlungen zum Pestizideinsatz, wie z. B. die Anpassung bestehender Sprühprogramme und die Änderung des Sprühzeitpunkts bei der Auswahl von Fungiziden oder die Förderung der Verwendung weniger gefährlicher Alternativen. Die negativen Auswirkungen von Fungiziden auf das Geschlechterverhältnis, das Fressverhalten, das Darmmikrobiom und die molekularen Mechanismen, die dem Gewichtsverlust und der Sterblichkeit von Maiszünslern zugrunde liegen, müssen weiter erforscht werden.
Die Quelldaten 1, 2 und 3 in Abbildung 1 und 2 wurden im figshare-Datenrepository DOI: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24996245 und https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24996233 hinterlegt. Die in der vorliegenden 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 landwirtschaftlicher Nutzpflanzen: das Beispiel der Gattung Osmia. (Hymenoptera: Megachilidae) und Obstbäume. Bull. Ntomore. Ressource. 92, 3–16 (2002).
Parker, MG et al. Bestäubungspraktiken und Wahrnehmung alternativer Bestäuber unter Apfelbauern in New York und Pennsylvania. Aktualisierung. Landwirtschaft. Nahrungsmittelsysteme. 35, 1–14 (2020).
Koch I., Lonsdorf EW, Artz DR, Pitts-Singer TL und Ricketts TH Ökologie und Ökonomie der Mandelbestäubung mit einheimischen Bienen. J. Economics. Ntomore. 111, 16–25 (2018).
Lee, E., He, Y. und Park, Y.-L. Auswirkungen des Klimawandels auf die Phänologie der Tragopanen: Implikationen für das Populationsmanagement. Climb. Change 150, 305–317 (2018).
Artz, DR und Pitts-Singer, TL Wirkung von Fungizid- und Adjuvanssprays auf das Nistverhalten zweier kontrollierter Solitärbienen (Osmia lignaria und Megachile rotundata). PloS One 10, e0135688 (2015).
Beauvais, S. et al. Ein wenig toxisches Pflanzenfungizid (Fenbuconazol) stört die Signale der männlichen Fortpflanzungsqualität, was zu einem verringerten Paarungserfolg bei wilden Solitärbienen führt. J. Apps. Ökologie. 59, 1596–1607 (2022).
Sgolastra F. et al. Neonicotinoid-Insektizide und Ergosterol-Biosynthese unterdrücken synergistische Fungizidmortalität bei drei Bienenarten. Schädlingsbekämpfung. Die Wissenschaft. 73, 1236–1243 (2017).
Kuhneman JG, Gillung J, Van Dyck MT, Fordyce RF. und Danforth BN Solitärwespenlarven verändern die bakterielle Vielfalt, die durch Pollen an stammnistende Bienen geliefert wird. Osmia cornifrons (Megachilidae). Vorderseite. Mikroorganismus. 13, 1057626 (2023).
Dharampal PS, Danforth BN und Steffan SA Die ektosymbiotischen Mikroorganismen in fermentiertem Pollen sind für die Entwicklung von Solitärbienen genauso wichtig wie der Pollen selbst. Ökologie. Evolution. 12. e8788 (2022).
Kelderer M, Manici LM, Caputo F und Thalheimer M. Zwischenreihenpflanzung in Apfelplantagen zur Kontrolle von Nachsaatkrankheiten: eine praktische Wirksamkeitsstudie basierend auf mikrobiellen Indikatoren. Plant Soil 357, 381–393 (2012).
Martin PL, Kravchik T., Khodadadi F., Achimovich SG und Peter KA Bitterfäule von Äpfeln im mittleren Atlantikraum der USA: Bewertung der verursachenden Arten und des Einflusses regionaler Wetterbedingungen und der Sortenanfälligkeit. Phytopathology 111, 966–981 (2021).
Cullen MG, Thompson LJ, Carolan JK, Stout JK. und Stanley DA Fungizide, Herbizide und Bienen: eine systematische Überprüfung 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 Wirkung ausgewählter Fungizide auf Wachstum und Entwicklung von Honigbienenlarven Apis mellifera L. (Hymenoptera: Apidae). Mittwoch. Ntomore. 33, 1151-1154 (2004).
Van Dyke, M., Mullen, E., Wickstead, D. und McArt, S. Entscheidungsleitfaden 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: eine Überprüfung der Methoden und der berichteten Ergebnisse. Landwirtschaft. Ökosystem. Mittwoch. 314, 107423 (2021).
Kopit AM, Klinger E, Cox-Foster DL, Ramirez RA. und Pitts-Singer TL Einfluss der Art der Versorgung und der Pestizidexposition auf die Larvenentwicklung von Osmia lignaria (Hymenoptera: Megachilidae). Mittwoch. Ntomore. 51, 240–251 (2022).
Kopit AM und Pitts-Singer TL Wege der Pestizidexposition bei solitären Bienen in leeren Nestern. Mittwoch. Ntomore. 47, 499–510 (2018).
Pan, NT et al. Ein neues Bioassay-Protokoll zur Beurteilung der Pestizidtoxizität bei erwachsenen japanischen Gartenbienen (Osmia cornifrons). the science. Reports 10, 9517 (2020).
Veröffentlichungszeit: 14. Mai 2024