Der Einfluss von Wirtsfaktoren der Honigbiene (Apis mellifera L.) auf den Reproduktionserfolg der parasitischen Milbe Varroa destructor (Anderson & Trueman) auf die Auswirkungen einer horizontalen Verbreitung des Parasiten auf den Befall der Bienenvölker

Frey, Eva

Doctoral Thesis

2014

Der Einfluss von Wirtsfaktoren der Honigbiene (Apis mellifera L.) auf den Reproduktionserfolg der parasitischen Milbe Varroa destructor (Anderson & Trueman) auf die Auswirkungen einer horizontalen Verbreitung des Parasiten auf den Befall der Bienenvölker

Frey, Eva

Diss_Eva_Frey_2014.pdf (1.91 MB)

Abstract (English)

The honey bee colony is faced with a huge number of pathogens, including bee viruses, bacteria, fungi and mites. Among these pathogens, the ectoparasitic mite Varroa destructor is considered the most important parasite of the honey bee worldwide. This mite was discovered at the beginning of the last century in South East Asia within colonies of the original host, the Eastern honey bee Apis cerana. From the middle of the last century the mite has been spread worldwide by transports of infested A. mellifera colonies with dramatic consequences for both, feral and managed honey bee colonies. In the meantime this parasite has become the most serious economic problem for global beekeeping. In temperate climates nearly all honey bee colonies are infested and without yearly Varroa treatments these colonies would collapse within a few years. This confirms that a stable host parasite relationship has not been established yet. Therefore the control of V. destructor still represents the main challenge for beekeeping. The main reason for host damages is the dramatic increase of the Varroa population during the season. Our honey bee colonies are obviously unable to control this population dynamic of the parasite. The increase of the mite population is influenced by the reproductive rate of Varroa females within individual brood cells, by host-parasite-interactions on the colony level and by interactions among honey bee colonies on the population level. The dissertation at hand presents experimental approaches and results at all three levels. On the individual level we were able to demonstrate that age-dependent signals of the honey bee larvae not only activate the oogenesis of the Varroa females but even trigger the further course of mite reproduction. Our studies on the activation of the Varroa reproduction revealed that exclusively larvae within 18 h (worker) and 36 h (drones), respectively, after cell capping were able to stimulate the mite’s oogenesis. Furthermore, we were able to confirm for the first time the presence of a signal in the host larvae allowing the reproducing mites to adjust their own reproductive cycle to the ontogenetic development of the host. Under certain conditions such host signals can even stop an oogenesis of the female mite that has already been started. From an adaptive point of view that sort of a stop signal enables the female mite to save resources for a next reproductive cycle if the own egg development is not sufficiently synchronized with the development of the host. My results indicate that age specific volatiles of the larval cuticle are involved in the regulation of mite reproduction. According to preliminary quantitative GC–MS analysis we suggest certain fatty acid ethyl esters as candidate compounds. These host signals – either involved in the activation or in the interruption of the Varroa reproduction – offer possibilities to influence the reproductive success of Varroa females and might therefore be used for biological control in the future. Within an EU cooperation project we could additionally demonstrate that the so called temporary infertility of Varroa females is significantly correlated with three QTL of the host larvae. This confirms a genetic basis for host resistance factors that inhibit the mite reproduction. For this study we made use of the fact that we had access to a honey bee population at the island of Gotland, Sweden that has survived mite infestation without any treatment for more than 10 years. We crossed a queen from this tolerant population with drones from susceptible colonies to rear hybrid queens and produced a mapping population of haploid drones from these hybrids. Because honey bees have a haplodiploid sex determination, the haploid drones provide an extremely simple and highly efficient model system for genetic studies. Subsequently, we mapped three candidate target regions on chromosomes 4, 7, and 9. Although the individual effect of these three QTL was found to be relatively small, the set of all three had significant impact on the suppression of V. destructor reproduction by epistasis. The detection of this epistatic interaction was only possible because we used the simple genetic make-up of haploid drones. For studies on Varroa resistance on the colony level and for selection programs the interactions among the colonies of the local honey bee population have to be considered. In two experimental approaches I was able to prove that the invasion of Varroa mites from neighboring colonies – often called “reinvasion” – significantly influences the population dynamic of the parasite within the colony. First, we quantified the number of mites invading individual colonies in relation to the invasion pressure (= number and distance of infested colonies). For this approach we made use of an isolated military training area near Münsingen at the Swabian Alb not accessible to other beekeepers. We established ten “mite receiver colonies” continuously treated against V. destructor and placed them at distances of 1m to 1.5 km from four heavily infested “mite donor colonies”. In the donor colonies, we estimated the population of bees, brood, and V. destructor at three week intervals. The invasion of mites into the receiver colonies was recorded every 7-12 days. During the measurement period of about two months, between 85 and 444 mites per colony were introduced into the receiver colonies. Surprisingly, there were no significant differences in the invasion rates in relation to the distance between donor and receiver colonies. The second approach was performed under more realistic field conditions of two experimental apiaries established in regions with high and low bee densities, respectively. Additionally, in this experiment we analyzed the multiplication of the invaded mites. Thereby we confirmed that horizontal transmission plus the reproduction of the invaded Varroa mites can cause an exponential increase of the mite population that may exceed the damage threshold within three months. We were further able to show that the invasion rates – and therefore the final infestation – differ significantly according to the number of honey bee colonies in the neighborhood of the apiary: At the site with a high bee density, the average invasion rate per colony over the entire three and a half months period was 462 mites per colony compared to only 126 mites per colony at the site with a low bee density. As a consequence, the colonies of the apiary at the high bee density site revealed an average final infestation in November of 2,082 mites per colony compared to 340 mites per colony at the low bee density site. The highly infested colonies lost about three times more bees compared to the lower infested colonies – obviously a result of Virus infections transmitted by Varroa mites. With my different approaches I was able to add further elements of knowledge for a better understanding of how host factors and ambient conditions influence the Varroa reproduction within individual brood cells and the population dynamic within a honey bee colony. A better knowledge of these host parasite interactions is essential for the selection of mite resistant colonies and further more important for the development of concepts for an effective Varroa treatment.

Abstract (German)

Das Honigbienenvolk ist konfrontiert mit einer Vielzahl an Pathogenen, darunter Viren, Bakterien, Pilze und Milben. Der weltweit bedeutendste Parasit der westlichen Honigbiene ist dabei die ektoparasitische Bienenmilbe Varroa destructor. Entdeckt wurde die Milbe zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Südostasien in Völkern der östlichen Honigbiene Apis cerana, ihrem ursprünglichen Wirt. Ab Mitte des letzten Jahrhunderts wurde die Milbe dann durch Transporte infizierter A. mellifera Völker weltweit verbreitet mit meist dramatischen Folgen für wildlebende und bewirtschaftete Honigbienenvölker. Mittlerweile stellt der Parasit das größte wirtschaftliche Problem für die globale Imkerei dar. So gibt es in den gemäßigten Breiten nahezu kein varroafreies Volk mehr und ohne regelmäßige Bekämpfung der Varroose durch den Imker gehen Bienenvölker innerhalb weniger Jahre ein. Dies bestätigt, dass sich bei A. mellifera nach wie vor kein stabiles Wirt-Parasit-Verhältnis entwickelt hat und die Bekämpfung von V. destructor nach wie vor die größte Herausforderung für die Imkerei darstellt. Die Hauptursache für die Wirtsschädigungen ist die enorme Zunahme der Varroapopulation im Jahresverlauf, die offensichtlich durch das Bienenvolk nicht ausreichend kontrolliert werden kann. Dieses Populationswachstum wird beeinflusst durch Reproduktionsrate der Varroaweibchen innerhalb der einzelnen Brutzellen, durch Parasit-Wirt-Wechselwirkungen auf der Ebene des Bienenvolkes und durch Wechselwirkungen zwischen den Bienenvölkern. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Untersuchungen auf allen drei Ebenen durchgeführt. Zunächst konnte auf der individuellen Ebene erstmals nachgewiesen werden, dass Signale der Bienenlarve nicht nur die Reproduktion der Varroaweibchen aktivieren, sondern eine begonnene Oogenese sogar wieder stoppen können. Unter evolutiven Gesichtspunkten macht dies Sinn, da das Varroaweibchen nur dann Ressourcen in die Eibildung investiert, wenn die Bedingungen für eine erfolgreiche Reproduktion gegeben sind. Meine Ergebnisse lassen vermuten, dass kutikuläre altersabhängige Duftstoffe der Bienenlarve an der Steuerung der Varroareproduktion maßgeblich beteiligt sind. Als Wirtssignale kommen dabei bestimmte Fettsäureester in der polaren Fraktion des Kutikulaextraktes in Frage. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes konnten wir darüber hinaus zeigen, dass die temporär auftretende Infertilität von Varroaweibchen signifikant mit drei QTL auf drei Chromosomen der Wirtslarve korreliert ist, es also offensichtlich eine genetische Basis für solche reproduktionshemmenden Resistenzfaktoren gibt. Hierfür machten wir uns die haplo-diploide Geschlechtsbestimmung bei Honigbienen zunutze, da potentielle Resistenzgene eher im haploiden Phänotyp sichtbar werden und sich das Genom leichter molekulargenetisch charakterisieren lässt. Für Untersuchungen von Varroaresistenz auf der Ebene des Bienenvolkes sowie für die Durchführung von Selektionsprogrammen ist ein weiterer Aspekt von enormer Bedeutung. In zwei Versuchsansätzen konnte ich nachweisen, dass der Eintrag von Varroamilben von benachbarten Völkern – oft als „Reinvasion“ bezeichnet - die Populationsentwicklung des Parasiten im Volk nachhaltig beeinflusst. Zunächst wurde unter den Bedingungen eines isolierten Truppenübungsplatzes der Eintrag von Milben in Abhängigkeit vom Invasionsdruck (= Anzahl und Entfernung infizierter Bienenvölker) quantifiziert. Hierfür wurden mit Akariziden dauerbehandelte Völker in unterschiedlichen Abständen zu stark parasitierten Völkern aufgestellt und der Milbeneintrag wöchentlich erfasst. In einem weiteren Versuch wurde der Ansatz erweitert: Neben der Varroainvasion wurde nun auch die Vermehrung der eingetragenen Milben quantifiziert. Unter praxisnahen Bedingungen konnte so nachgewiesen werden, dass horizontale Verbreitung plus anschließende Vermehrung der eingeschleppten Varroamilben zu einem exponentiellen Anstieg der Varroapopulation führen können, der innerhalb von drei Monaten die Schadensschwelle übersteigt und dadurch die Überwinterung der Bienenvölker gefährdet wird. Aus den Versuchsergebnissen werden Empfehlungen für eine flächendeckende und zeitlich koordinierte Varroabekämpfung sowie für die Selektion resistenter Bienenvölker abgeleitet. Mit meinen Versuchen konnte ich einige Mosaiksteine zum Verständnis der Varroa-Reproduktionssteuerung innerhalb der individuellen Brutzelle und zur Varroa-Populationsdynamik innerhalb des Bienenvolkes hinzufügen. Ein solches Verständnis der Populationsdynamik und der zugrunde liegenden Wirtsfaktoren ist meiner Meinung nach essentiell für die Selektion varroaresistenter Bienenvölker und darüber hinaus wichtig für die Entwicklung von Varroa-Bekämpfungskonzepten.