Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor het beste resultaat raden we u aan een nieuwere versie van uw browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, wordt de site in de tussentijd zonder opmaak of JavaScript weergegeven.
Fungiciden worden vaak gebruikt tijdens de bloei van fruitbomen en kunnen een bedreiging vormen voor bestuivende insecten. Er is echter weinig bekend over hoe niet-bijenbestuivers (bijvoorbeeld solitaire bijen, Osmia cornifrons) reageren op contact- en systemische fungiciden die veelvuldig worden gebruikt bij de bloei van appelbomen. Deze kennislacune beperkt de besluitvorming door regelgevende instanties met betrekking tot veilige concentraties en het tijdstip van fungicidebespuiting. We hebben de effecten onderzocht van twee contactfungiciden (captan en mancozeb) en vier fungiciden die tussen de lagen/in het fytosysteem werken (ciprocycline, myclobutanil, pyrostrobin en trifloxystrobin). De effecten op de gewichtstoename, overleving, geslachtsverhouding en bacteriële diversiteit van larven werden onderzocht. De evaluatie werd uitgevoerd met behulp van een chronische orale bioassay waarbij stuifmeel werd behandeld met drie doses, gebaseerd op de momenteel aanbevolen dosis voor veldgebruik (1X), een halve dosis (0,5X) en een lage dosis (0,1X). Alle doses mancozeb en pyritisoline verminderden het lichaamsgewicht en de overleving van de larven significant. Vervolgens hebben we het 16S-gen gesequenced om het bacteriome van de larven van mancozeb te karakteriseren, het fungicide dat verantwoordelijk is voor de hoogste sterfte. We ontdekten dat de bacteriële diversiteit en abundantie significant waren verminderd bij larven die zich hadden gevoed met met mancozeb behandeld stuifmeel. Onze laboratoriumresultaten wijzen erop dat het spuiten van sommige van deze fungiciden tijdens de bloei bijzonder schadelijk is voor de gezondheid van O. cornifrons. Deze informatie is relevant voor toekomstige beheersbeslissingen met betrekking tot het duurzame gebruik van gewasbeschermingsmiddelen voor fruitbomen en dient als basis voor regelgevingsprocessen gericht op de bescherming van bestuivers.
De solitaire metselbij Osmia cornifrons (Hymenoptera: Megachilidae) werd eind jaren zeventig en begin jaren tachtig vanuit Japan in de Verenigde Staten geïntroduceerd en speelt sindsdien een belangrijke rol als bestuiver in beheerde ecosystemen. Verwilderde populaties van deze bij maken deel uit van ongeveer 50 soorten wilde bijen die een aanvulling vormen op de bijen die amandel- en appelboomgaarden in de Verenigde Staten bestuiven2,3. Metselbijen worden geconfronteerd met vele uitdagingen, waaronder habitatfragmentatie, ziekteverwekkers en pesticiden3,4. Van de insecticiden verminderen fungiciden de energieopname, het foerageren5 en de lichaamsconditie6,7. Hoewel recent onderzoek suggereert dat de gezondheid van metselbijen direct wordt beïnvloed door commensale en ectobactische micro-organismen,8,9 omdat bacteriën en schimmels de voeding en immuunreacties kunnen beïnvloeden, worden de effecten van blootstelling aan fungiciden op de microbiële diversiteit van metselbijen pas recentelijk onderzocht.
Fungiciden met verschillende effecten (contact- en systemisch) worden in boomgaarden gespoten vóór en tijdens de bloei om ziekten zoals appelschurft, bitterrot, bruinrot en echte meeldauw te bestrijden10,11. Fungiciden worden als onschadelijk voor bestuivers beschouwd en worden daarom aanbevolen aan tuinders tijdens de bloeiperiode. De blootstelling aan en inname van deze fungiciden door bijen is relatief goed bekend, aangezien dit onderdeel uitmaakt van het registratieproces van pesticiden door het Amerikaanse Environmental Protection Agency en vele andere nationale regelgevende instanties12,13,14. De effecten van fungiciden op niet-bijen zijn echter minder bekend, omdat deze niet vereist zijn onder de handelsvergunningsovereenkomsten in de Verenigde Staten15. Bovendien bestaan er over het algemeen geen gestandaardiseerde protocollen voor het testen van individuele bijen16,17, en het onderhouden van kolonies die bijen leveren voor testen is een uitdaging18. In Europa en de VS worden steeds vaker proeven met verschillende gehouden bijen uitgevoerd om de effecten van pesticiden op wilde bijen te bestuderen, en er zijn recentelijk gestandaardiseerde protocollen ontwikkeld voor O. cornifrons19.
Hoornbijen zijn monocyten en worden commercieel gebruikt in karpergewassen als aanvulling op of vervanging van honingbijen. Deze bijen komen tussen maart en april tevoorschijn, waarbij de vroegrijpe mannetjes drie tot vier dagen eerder verschijnen dan de vrouwtjes. Na de paring verzamelt het vrouwtje actief stuifmeel en nectar om een reeks broedcellen te maken in de buisvormige nestholte (natuurlijk of kunstmatig)1,20. De eieren worden op stuifmeel in de cellen gelegd; het vrouwtje bouwt vervolgens een kleiwand voordat ze de volgende cel voorbereidt. De larven in het eerste stadium worden omsloten door het chorion en voeden zich met embryonale vloeistoffen. Van het tweede tot en met het vijfde stadium (prepop) voeden de larven zich met stuifmeel22. Zodra de stuifmeelvoorraad volledig is uitgeput, vormen de larven cocons, verpoppen zich en komen als volwassen bijen tevoorschijn in dezelfde broedkamer, meestal in de late zomer20,23. De volwassen bijen komen het volgende voorjaar tevoorschijn. De overleving van volwassen bijen hangt samen met de netto energieopname (gewichtstoename) op basis van de voedselinname. De voedingswaarde van stuifmeel, evenals andere factoren zoals het weer of blootstelling aan pesticiden, zijn dus bepalend voor overleving en gezondheid24.
Insecticiden en fungiciden die vóór de bloei worden toegepast, kunnen zich in verschillende mate door de vaatbundels van de plant verplaatsen, van translaminair (bijvoorbeeld van de bovenkant van bladeren naar de onderkant, zoals sommige fungiciden) 25 tot werkelijk systemische effecten. Sommige pesticiden, die vanuit de wortels de kroon kunnen binnendringen, kunnen in de nectar van appelbloemen terechtkomen26, waar ze volwassen O. cornifrons kunnen doden27. Sommige pesticiden lekken ook in het stuifmeel, waardoor de ontwikkeling van maïslarven wordt beïnvloed en ze sterven19. Andere studies hebben aangetoond dat sommige fungiciden het nestgedrag van de verwante soort O. lignaria aanzienlijk kunnen veranderen28. Daarnaast hebben laboratorium- en veldstudies die scenario's van blootstelling aan pesticiden (waaronder fungiciden) simuleren, aangetoond dat pesticiden een negatieve invloed hebben op de fysiologie 22, morfologie 29 en overleving van honingbijen en sommige solitaire bijen. Verschillende fungicide sprays die direct op open bloemen worden aangebracht tijdens de bloei, kunnen het stuifmeel dat door volwassen insecten wordt verzameld voor de ontwikkeling van de larven, besmetten. De effecten hiervan moeten nog worden onderzocht30.
Er wordt steeds meer erkend dat de ontwikkeling van larven wordt beïnvloed door stuifmeel en de microbiële gemeenschappen van het spijsverteringsstelsel. Het microbioom van de honingbij beïnvloedt parameters zoals lichaamsgewicht31, metabolische veranderingen22 en vatbaarheid voor pathogenen32. Eerdere studies hebben de invloed van ontwikkelingsstadium, voedingsstoffen en omgeving op het microbioom van solitaire bijen onderzocht. Deze studies toonden overeenkomsten aan in de structuur en abundantie van het larven- en stuifmeelmicrobioom33, evenals de meest voorkomende bacteriële geslachten Pseudomonas en Delftia, tussen verschillende soorten solitaire bijen. Hoewel fungiciden in verband worden gebracht met strategieën ter bescherming van de gezondheid van bijen, zijn de effecten van fungiciden op de larvenmicrobiota door directe orale blootstelling nog niet onderzocht.
In deze studie werden de effecten onderzocht van realistische doseringen van zes veelgebruikte fungiciden die geregistreerd zijn voor gebruik op fruitbomen in de Verenigde Staten, waaronder contact- en systemische fungiciden die oraal werden toegediend aan larven van de maïshoornmot afkomstig van besmet voedsel. We ontdekten dat contact- en systemische fungiciden de gewichtstoename van bijen verminderden en de sterfte verhoogden, waarbij de ernstigste effecten werden geassocieerd met mancozeb en pyrithiopide. Vervolgens vergeleken we de microbiële diversiteit van larven die gevoed werden met het met mancozeb behandelde stuifmeeldieet met die van larven die gevoed werden met het controledieet. We bespreken mogelijke mechanismen die ten grondslag liggen aan de sterfte en de implicaties voor geïntegreerde plaag- en bestuiverbestrijdingsprogramma's (IPPM)36.
Volwassen O. cornifrons-cocons die overwinterden in cocons werden verkregen van het Fruit Research Center in Biglerville, Pennsylvania, en bewaard bij -3 tot 2 °C (±0,3 °C). Voor aanvang van het experiment werden in totaal 600 cocons verzameld. In mei 2022 werden dagelijks 100 O. cornifrons-cocons overgebracht naar plastic bekers (50 cocons per beker, diameter 5 cm × 15 cm). In de bekers werden doekjes geplaatst om het openen te bevorderen en een kauwbaar substraat te bieden, waardoor de stress voor de steenbijen werd verminderd37. Plaats twee plastic bekers met cocons in een insectenkooi (30 × 30 × 30 cm, BugDorm MegaView Science Co. Ltd., Taiwan) met voederbakjes van 10 ml gevuld met een 50% sucroseoplossing en bewaar deze gedurende vier dagen om sluiting en paring te garanderen. 23 °C, relatieve luchtvochtigheid 60%, fotoperiode 10 l (lage intensiteit): 14 dagen. Gedurende zes dagen werden elke ochtend 100 gepaarde vrouwtjes en mannetjes (100 per dag) losgelaten in twee kunstmatige nesten tijdens de piek van de appelbloesem (vangnest: breedte 33,66 × hoogte 30,48 × lengte 46,99 cm; Aanvullende figuur 1). Geplaatst in het Pennsylvania State Arboretum, in de buurt van kersenbomen (Prunus cerasus 'Eubank' Sweet Cherry Pie™), perzikbomen (Prunus persica 'Contender', Prunus persica 'PF 27A' Flamin Fury®), perenbomen (Pyrus perifolia 'Olympic', Pyrus perifolia 'Shinko', Pyrus perifolia 'Shinseiki'), Malus coronaria-appelbomen en talloze appelboomvariëteiten (Malus coronaria, Malus), de inheemse appelboom 'Co-op 30′ Enterprise™, de Malus-appelboom 'Co-Op 31′ Winecrisp™, begonia's 'Freedom', 'Golden Delicious' en 'Nova Spy'). Elk blauw plastic vogelhuisje past bovenop twee houten dozen. Elk nestkastje bevatte 800 lege kraftpapieren buizen (spiraalvormig, 0,8 cm binnendiameter × 15 cm lengte) (Jonesville Paper Tube Co., Michigan) die in ondoorzichtige cellofaanbuizen (0,7 cm buitendiameter) waren geplaatst. Plastic pluggen (T-1X pluggen) bieden nestplaatsen.
Beide nestkasten waren naar het oosten gericht en werden afgedekt met groen plastic tuinhekwerk (Everbilt model #889250EB12, opening 5 × 5 cm, 0,95 m × 100 m) om te voorkomen dat knaagdieren en vogels erbij konden komen. Het hekwerk werd op het grondoppervlak naast de nestkasten geplaatst. Nestkast (Aanvullende figuur 1a). Eieren van de maïsboorder werden dagelijks verzameld door 30 buisjes uit de nesten te halen en naar het laboratorium te vervoeren. Met een schaar werd een snede aan het uiteinde van het buisje gemaakt, waarna de spiraalvormige buis werd gedemonteerd om de broedcellen bloot te leggen. Individuele eieren en hun stuifmeel werden verwijderd met een gebogen spatel (Microslide tool kit, BioQuip Products Inc., Californië). De eieren werden gedurende 2 uur op vochtig filtreerpapier geïncubeerd en in een petrischaal geplaatst voordat ze in onze experimenten werden gebruikt (Aanvullende figuur 1b-d).
In het laboratorium hebben we de orale toxiciteit van zes fungiciden geëvalueerd die vóór en tijdens de appelbloesem werden toegepast in drie concentraties (0,1X, 0,5X en 1X, waarbij 1X de toegepaste concentratie per 100 gallons water/acre is. Hoge velddosis = concentratie in het veld). (Tabel 1). Elke concentratie werd 16 keer herhaald (n = 16). De toxiciteit van twee contactfungiciden (Tabel S1: mancozeb 2696,14 ppm en captan 2875,88 ppm) en vier systemische fungiciden (Tabel S1: pyrithiostrobin 250,14 ppm; trifloxystrobin 110,06 ppm; myclobutanilazol 75,12 ppm; cyprodinil 280,845 ppm) voor fruit, groenten en siergewassen werd onderzocht. We homogeniseerden het stuifmeel met een molen, brachten 0,20 g over naar een putje (24-wells Falcon-plaat) en voegden 1 μL fungicideoplossing toe en mengden dit om piramidevormig stuifmeel te vormen met putjes van 1 mm diep waarin de eitjes werden geplaatst. Plaats de eitjes met behulp van een mini-spatel (aanvullende figuur 1c,d). De Falcon-platen werden bewaard bij kamertemperatuur (25 °C) en 70% relatieve luchtvochtigheid. We vergeleken ze met controlelarven die een homogeen stuifmeeldieet kregen, behandeld met zuiver water. We registreerden de sterfte en maten het larvengewicht om de twee dagen totdat de larven het prepupale stadium bereikten met behulp van een analytische balans (Fisher Scientific, nauwkeurigheid = 0,0001 g). Ten slotte werd de geslachtsverhouding bepaald door de cocon na 2,5 maanden te openen.
DNA werd geëxtraheerd uit complete O. cornifrons-larven (n = 3 per behandelingsconditie, met mancozeb behandeld en onbehandeld stuifmeel) en we voerden analyses van de microbiële diversiteit uit op deze monsters, met name omdat bij larven die met mancozeb waren behandeld de hoogste sterfte werd waargenomen. Het DNA werd geamplificeerd en gezuiverd met behulp van de DNAZymoBIOMICS®-96 MagBead DNA-kit (Zymo Research, Irvine, CA) en gesequenced (600 cycli) op een Illumina® MiSeq™ met behulp van de v3-kit. Gerichte sequencing van bacteriële 16S ribosomaal RNA-genen werd uitgevoerd met behulp van de Quick-16S™ NGS Library Prep Kit (Zymo Research, Irvine, CA) met primers gericht op het V3-V4-gebied van het 16S rRNA-gen. Daarnaast werd 18S-sequencing uitgevoerd met 10% PhiX-inclusie, en werd amplificatie uitgevoerd met behulp van het primerpaar 18S001 en NS4.
Gepaarde reads39 werden geïmporteerd en verwerkt met behulp van de QIIME2-pipeline (v2022.11.1). Deze reads werden bijgesneden en samengevoegd, en chimere sequenties werden verwijderd met behulp van de DADA2-plugin in QIIME2 (qiime dada2 noise pairing)40. De 16S- en 18S-klasse-toewijzingen werden uitgevoerd met behulp van de objectclassificatie-plugin Classify-sklearn en de vooraf getrainde artifact silva-138-99-nb-classifier.
Alle experimentele gegevens werden gecontroleerd op normaliteit (Shapiro-Wilks) en homogeniteit van varianties (Levene-test). Omdat de dataset niet voldeed aan de aannames van parametrische analyse en de transformatie de residuen niet standaardiseerde, voerden we een niet-parametrische tweeweg-ANOVA (Kruskal-Wallis) uit met twee factoren [tijd (drie fasen: 2, 5 en 8 dagen) en fungicide] om het effect van de behandeling op het versgewicht van de larven te evalueren. Vervolgens werden post-hoc niet-parametrische paarsgewijze vergelijkingen uitgevoerd met behulp van de Wilcoxon-test. We gebruikten een gegeneraliseerd lineair model (GLM) met een Poisson-verdeling om de effecten van fungiciden op de overleving te vergelijken bij drie fungicideconcentraties41,42. Voor de analyse van differentiële abundantie werd het aantal ampliconsequentievarianten (ASV's) samengevoegd op genusniveau. Vergelijkingen van differentiële abundantie tussen groepen met behulp van 16S (genusniveau) en 18S relatieve abundantie werden uitgevoerd met een gegeneraliseerd additief model voor positie, schaal en vorm (GAMLSS) met beta zero-inflated (BEZI) familiedistributies, die werden gemodelleerd op een macro in Microbiome R43 (v1.1). 1) Mitochondriale en chloroplastsoorten werden verwijderd vóór de differentiële analyse. Vanwege de verschillende taxonomische niveaus van 18S werd alleen het laagste niveau van elk taxon gebruikt voor de differentiële analyses. Alle statistische analyses werden uitgevoerd met R (v. 3.4.3, CRAN-project) (Team 2013).
Blootstelling aan mancozeb, pyrithiostrobin en trifloxystrobin verminderde de gewichtstoename van O. cornifrons aanzienlijk (Fig. 1). Deze effecten werden consistent waargenomen bij alle drie de geteste doses (Fig. 1a–c). Cyclostrobin en myclobutanil verminderden het gewicht van de larven niet significant.
Gemiddeld versgewicht van stengelboorderlarven gemeten op drie tijdstippen onder vier voedingsbehandelingen (homogeen stuifmeelvoer + fungicide: controle, 0,1X, 0,5X en 1X dosis). (a) Lage dosis (0,1X): eerste tijdstip (dag 1): χ²: 30,99, DF = 6; P < 0,0001, tweede tijdstip (dag 5): 22,83, DF = 0,0009; derde tijdstip (dag 8): χ²: 28,39, DF = 6; (b) halve dosis (0,5X): eerste tijdstip (dag 1): χ²: 35,67, DF = 6; P < 0,0001, tweede tijdstip (dag 1): χ²: 15,98, DF = 6; P = 0,0090; derde meetpunt (dag 8) χ²: 16,47, DF = 6; (c) Locatie of volledige dosis (1X): eerste meetpunt (dag 1) χ²: 20,64, P = 6; P = 0,0326, tweede meetpunt (dag 5): χ²: 22,83, DF = 6; P = 0,0009; derde meetpunt (dag 8): χ²: 28,39, DF = 6; niet-parametrische variantieanalyse. De balken geven het gemiddelde ± standaardfout van paarsgewijze vergelijkingen weer (α = 0,05) (n = 16) *P ≤ 0,05, **P ≤ 0,001, ***P ≤ 0,0001.
Bij de laagste dosis (0,1X) werd het lichaamsgewicht van de larven met 60% verminderd door trifloxystrobin, met 49% door mancozeb, met 48% door myclobutanil en met 46% door pyrithistrobin (Fig. 1a). Bij blootstelling aan de helft van de velddosis (0,5X) werd het lichaamsgewicht van de mancozeb-larven met 86% verminderd, dat van de pyrithistrobin-larven met 52% en dat van de trifloxystrobin-larven met 50% (Fig. 1b). Een volledige velddosis (1X) van mancozeb verminderde het larvengewicht met 82%, dat van pyrithistrobin met 70% en dat van trifloxystrobin, myclobutanil en sangard met ongeveer 30% (Fig. 1c).
De sterfte was het hoogst onder larven die gevoed werden met stuifmeel behandeld met mancozeb, gevolgd door pyrithiostrobin en trifloxystrobin. De sterfte nam toe met toenemende doses mancozeb en pyritisoline (Fig. 2; Tabel 2). De sterfte onder de maïsboorder nam echter slechts licht toe naarmate de concentratie trifloxystrobin steeg; cyprodinil en captan verhoogden de sterfte niet significant in vergelijking met de controlegroep.
De sterfte van larven van de maïsboorder werd vergeleken na ingestie van stuifmeel dat afzonderlijk was behandeld met zes verschillende fungiciden. Mancozeb en pentopyramide bleken gevoeliger voor orale blootstelling aan maïsboorders (GLM: χ = 29,45, DF = 20, P = 0,0059) (lijn, helling = 0,29, P < 0,001; helling = 0,24, P < 0,00)).
Gemiddeld was 39,05% van de patiënten vrouw en 60,95% man bij alle behandelingen. Bij de controlegroepen was het percentage vrouwen 40% in zowel de studies met lage dosis (0,1X) als halve dosis (0,5X), en 30% in de studies met velddosis (1X). Bij een dosis van 0,1X was 33,33% van de volwassen larven die met mancozeb en myclobutanil waren behandeld, vrouwelijk, 22% van de volwassen larven was vrouwelijk, 44% van de volwassen larven was vrouwelijk, 41% van de volwassen larven was vrouwelijk en bij de controlegroep was dit 31% (Fig. 3a). Bij een dosis van 0,5 keer de normale dosis was 33% van de volwassen wormen in de mancozeb- en pyrithiostrobin-groep vrouwelijk, 36% in de trifloxystrobin-groep, 41% in de myclobutanil-groep en 46% in de cyprostrobin-groep. Dit percentage was 53% in de captan-groep en 38% in de controlegroep (Fig. 3b). Bij een dosis van 1 keer de normale dosis was 30% van de mancozeb-groep vrouwelijk, 36% van de pyrithiostrobin-groep, 44% van de trifloxystrobin-groep, 38% van de myclobutanil-groep en 50% van de controlegroep – 38,5% (Fig. 3c).
Percentage vrouwelijke en mannelijke boorders na blootstelling aan fungicide in het larvenstadium. (a) Lage dosis (0,1X). (b) Halve dosis (0,5X). (c) Velddosis of volledige dosis (1X).
Analyse van de 16S-sequentie toonde aan dat de bacteriële samenstelling verschilde tussen larven die gevoed werden met met mancozeb behandeld stuifmeel en larven die gevoed werden met onbehandeld stuifmeel (Fig. 4a). De microbiële index van onbehandelde larven die met stuifmeel gevoed werden, was hoger dan die van larven die met mancozeb behandeld stuifmeel gevoed werden (Fig. 4b). Hoewel het waargenomen verschil in soortenrijkdom tussen de groepen niet statistisch significant was, was het significant lager dan dat waargenomen bij larven die met onbehandeld stuifmeel gevoed werden (Fig. 4c). Relatieve abundantie toonde aan dat de microbiota van larven die met controle-stuifmeel gevoed werden, diverser was dan die van larven die met mancozeb behandeld stuifmeel gevoed werden (Fig. 5a). Beschrijvende analyse onthulde de aanwezigheid van 28 geslachten in zowel de controle- als de met mancozeb behandelde monsters (Fig. 5b). c Analyse met behulp van 18S-sequencing toonde geen significante verschillen aan (Aanvullende figuur 2).
SAV-profielen gebaseerd op 16S-sequenties werden vergeleken met Shannon-rijkdom en waargenomen rijkdom op fylum-niveau. (a) Hoofdcoördinatenanalyse (PCoA) gebaseerd op de algehele microbiële gemeenschapsstructuur in onbehandelde, met stuifmeel gevoede of controlelarven (blauw) en met mancozeb gevoede larven (oranje). Elk datapunt vertegenwoordigt een afzonderlijk monster. PCoA werd berekend met behulp van de Bray-Curtis-afstand van de multivariate t-verdeling. Ovalen vertegenwoordigen het 80%-betrouwbaarheidsinterval. (b) Boxplot, ruwe Shannon-rijkdomgegevens (punten) en c. Waarneembare rijkdom. Boxplots tonen de vakken voor de mediaanlijn, de interkwartielafstand (IQR) en 1,5 × IQR (n = 3).
Samenstelling van microbiële gemeenschappen van larven die zich voedden met met mancozeb behandeld en onbehandeld stuifmeel. (a) Relatieve abundantie van microbiële geslachten in larven. (b) Heatmap van geïdentificeerde microbiële gemeenschappen. Delftia (odds ratio (OR) = 0,67, P = 0,0030) en Pseudomonas (OR = 0,3, P = 0,0074), Microbacterium (OR = 0,75, P = 0,0617) (OR = 1,5, P = 0,0060); De rijen in de heatmap zijn geclusterd met behulp van correlatieafstand en gemiddelde connectiviteit.
Onze resultaten tonen aan dat orale blootstelling aan contactfungiciden (mancozeb) en systemische fungiciden (pyrostrobin en trifloxystrobin), die veelvuldig worden toegepast tijdens de bloei, de gewichtstoename significant verminderde en de sterfte van maïslarven verhoogde. Bovendien verminderde mancozeb de diversiteit en rijkdom van het microbioom tijdens het prepupale stadium aanzienlijk. Myclobutanil, een ander systemisch fungicide, verminderde de gewichtstoename van de larven significant bij alle drie de doseringen. Dit effect was duidelijk zichtbaar op het tweede (dag 5) en derde (dag 8) meetmoment. Cyprodinil en captan daarentegen verminderden de gewichtstoename of overleving niet significant in vergelijking met de controlegroep. Voor zover wij weten, is dit onderzoek het eerste dat de effecten bepaalt van velddoseringen van verschillende fungiciden die worden gebruikt om maïsgewassen te beschermen door middel van directe blootstelling aan stuifmeel.
Alle fungicidebehandelingen verminderden de gewichtstoename significant in vergelijking met de controlegroepen. Mancozeb had het grootste effect op de gewichtstoename van de larven met een gemiddelde reductie van 51%, gevolgd door pyrithiostrobin. Andere studies hebben echter geen nadelige effecten van velddoseringen van fungiciden op larvenstadia gerapporteerd44. Hoewel is aangetoond dat dithiocarbamaatbiociden een lage acute toxiciteit hebben45, kunnen ethyleenbisdithiocarbamaten (EBDCS) zoals mancozeb afbreken tot ureumethyleensulfide. Gezien de mutagene effecten ervan bij andere dieren, kan dit afbraakproduct verantwoordelijk zijn voor de waargenomen effecten46,47. Eerdere studies hebben aangetoond dat de vorming van ethyleenthioureum wordt beïnvloed door factoren zoals verhoogde temperatuur48, vochtigheidsniveaus49 en de duur van de productopslag50. Juiste opslagomstandigheden voor biociden kunnen deze bijwerkingen verminderen. Daarnaast heeft de Europese Autoriteit voor Voedselveiligheid haar bezorgdheid geuit over de toxiciteit van pyrithiopide, waarvan is aangetoond dat het kankerverwekkend is voor het spijsverteringsstelsel van andere dieren51.
Orale toediening van mancozeb, pyrithiostrobin en trifloxystrobin verhoogt de sterfte van maïsboorderlarven. Myclobutanil, ciprocycline en captan hadden daarentegen geen effect op de sterfte. Deze resultaten verschillen van die van Ladurner et al.52, die aantoonden dat captan de overleving van volwassen O. lignaria en Apis mellifera L. (Hymenoptera, Apisidae) significant verminderde. Bovendien is gebleken dat fungiciden zoals captan en boscalid larvensterfte veroorzaken52,53,54 of het voedingsgedrag veranderen55. Deze veranderingen kunnen op hun beurt de voedingswaarde van het stuifmeel en uiteindelijk de energieopname van het larvenstadium beïnvloeden. De sterfte die in de controlegroep werd waargenomen, was consistent met andere studies56,57.
De scheve geslachtsverhouding in ons onderzoek kan worden verklaard door factoren zoals onvoldoende paring en ongunstige weersomstandigheden tijdens de bloei, zoals eerder gesuggereerd voor O. cornuta door Vicens en Bosch. Hoewel vrouwtjes en mannetjes in onze studie vier dagen de tijd hadden om te paren (een periode die over het algemeen als voldoende wordt beschouwd voor een succesvolle paring), hebben we de lichtintensiteit opzettelijk verlaagd om stress te minimaliseren. Deze aanpassing kan echter onbedoeld het paringsproces verstoren61. Bovendien ervaren bijen meerdere dagen ongunstig weer, waaronder regen en lage temperaturen (<5°C), wat ook een negatieve invloed kan hebben op het paringssucces4,23.
Hoewel onze studie zich richtte op het gehele larvale microbioom, bieden onze resultaten inzicht in mogelijke relaties tussen bacteriële gemeenschappen die cruciaal kunnen zijn voor de voeding en blootstelling aan fungiciden bij bijen. Zo hadden larven die met mancozeb behandeld stuifmeel aten een significant gereduceerde microbiële gemeenschapsstructuur en -abundantie vergeleken met larven die onbehandeld stuifmeel aten. Bij larven die onbehandeld stuifmeel consumeerden, waren de bacteriegroepen Proteobacteria en Actinobacteria dominant en overwegend aeroob of facultatief aeroob. Delftbacteriën, die gewoonlijk geassocieerd worden met solitaire bijensoorten, staan bekend om hun antibiotische activiteit, wat wijst op een mogelijke beschermende rol tegen pathogenen. Een andere bacteriesoort, Pseudomonas, was overvloedig aanwezig bij larven die onbehandeld stuifmeel aten, maar was significant verminderd bij met mancozeb behandelde larven. Onze resultaten ondersteunen eerdere studies die Pseudomonas identificeren als een van de meest voorkomende geslachten in O. bicornis35 en andere solitaire wespen34. Hoewel er nog geen experimenteel bewijs is gevonden voor de rol van Pseudomonas in de gezondheid van O. cornifrons, is aangetoond dat deze bacterie de synthese van beschermende toxines in de kever Paederus fuscipes bevordert en het arginine-metabolisme in vitro stimuleert 35, 65. Deze waarnemingen suggereren een potentiële rol in de virale en bacteriële afweer tijdens de ontwikkeling van O. cornifrons-larven. Microbacterium is een ander geslacht dat in ons onderzoek is geïdentificeerd en waarvan bekend is dat het in grote aantallen voorkomt in larven van de zwarte soldaatvlieg onder omstandigheden van voedselgebrek 66. In O. cornifrons-larven kunnen microbacteriën bijdragen aan het evenwicht en de veerkracht van het darmmicrobioom onder stressomstandigheden. Daarnaast wordt Rhodococcus aangetroffen in O. cornifrons-larven en staat bekend om zijn ontgiftende eigenschappen 67. Dit geslacht wordt ook aangetroffen in de darm van A. florea, maar in zeer lage aantallen 68. Onze resultaten tonen de aanwezigheid aan van meerdere genetische variaties in talrijke microbiële taxa die metabolische processen in larven kunnen beïnvloeden. Een beter begrip van de functionele diversiteit van O. cornifrons is echter nodig.
Samenvattend wijzen de resultaten erop dat mancozeb, pyrithiostrobin en trifloxystrobin de gewichtstoename verminderden en de sterfte van maïsboorderlarven verhoogden. Hoewel er steeds meer bezorgdheid bestaat over de effecten van fungiciden op bestuivers, is het nodig om de effecten van residuele metabolieten van deze stoffen beter te begrijpen. Deze resultaten kunnen worden opgenomen in aanbevelingen voor geïntegreerde bestuiverbeheerprogramma's die boeren helpen het gebruik van bepaalde fungiciden vóór en tijdens de bloei van fruitbomen te vermijden door fungiciden te selecteren en het tijdstip van toepassing te variëren, of door het gebruik van minder schadelijke alternatieven aan te moedigen 36. Deze informatie is belangrijk voor het ontwikkelen van aanbevelingen over pesticidengebruik, zoals het aanpassen van bestaande spuitprogramma's en het wijzigen van het spuitmoment bij de selectie van fungiciden of het bevorderen van het gebruik van minder gevaarlijke alternatieven. Verder onderzoek is nodig naar de nadelige effecten van fungiciden op de geslachtsverhouding, het voedingsgedrag, het darmmicrobioom en de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan gewichtsverlies en sterfte bij maïsboorders.
De brongegevens 1, 2 en 3 in figuren 1 en 2 zijn gedeponeerd in de figshare-datarepository met DOI: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24996245 en https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24996233. De in dit onderzoek geanalyseerde sequenties (figuren 4 en 5) zijn beschikbaar in de NCBI SRA-repository onder toegangsnummer PRJNA1023565.
Bosch, J. en Kemp, WP Ontwikkeling en vestiging van honingbijensoorten als bestuivers van landbouwgewassen: het voorbeeld van het geslacht Osmia (Hymenoptera: Megachilidae) en fruitbomen. bull. Ntomore. resource. 92, 3–16 (2002).
Parker, MG et al. Bestuivingspraktijken en percepties van alternatieve bestuivers onder appelkwekers in New York en Pennsylvania. Update. Landbouw. Voedselsystemen. 35, 1–14 (2020).
Koch I., Lonsdorf EW, Artz DR, Pitts-Singer TL en Ricketts TH Ecologie en economie van amandelbestuiving met behulp van inheemse bijen. J. Economics. Ntomore. 111, 16–25 (2018).
Lee, E., He, Y., en Park, Y.-L. Effecten van klimaatverandering op de fenologie van tragopanen: implicaties voor populatiebeheer. Climb. Change 150, 305–317 (2018).
Artz, DR en Pitts-Singer, TL Effect van fungicide- en adjuvansbespuitingen op het nestgedrag van twee gedomesticeerde solitaire bijensoorten (Osmia lignaria en Megachile rotundata). PloS One 10, e0135688 (2015).
Beauvais, S. et al. Een gewasfungicide met lage toxiciteit (fenbuconazol) verstoort de signalen die de reproductieve kwaliteit van mannetjes aangeven, wat resulteert in een verminderd paringssucces bij wilde solitaire bijen. J. Apps. ecology. 59, 1596–1607 (2022).
Sgolastra F. et al. Neonicotinoïde insecticiden en ergosterolbiosynthese onderdrukken synergistische fungicide-geïnduceerde sterfte bij drie bijensoorten. Pest control. the science. 73, 1236–1243 (2017).
Kuhneman JG, Gillung J, Van Dyck MT, Fordyce RF. en Danforth BN. Solitaire wespenlarven veranderen de bacteriële diversiteit die door stuifmeel wordt geleverd aan stengelnestelende bijen Osmia cornifrons (Megachilidae). front. microorganism. 13, 1057626 (2023).
Dharampal PS, Danforth BN en Steffan SA. De ectosymbiotische micro-organismen in gefermenteerd stuifmeel zijn net zo belangrijk voor de ontwikkeling van solitaire bijen als het stuifmeel zelf. Ecologie. Evolutie. 12. e8788 (2022).
Kelderer M, Manici LM, Caputo F en Thalheimer M. Tussenrijbeplanting in appelboomgaarden ter bestrijding van herzaaiziekten: een praktijkeffectiviteitsstudie gebaseerd op microbiële indicatoren. Plant Soil 357, 381–393 (2012).
Martin PL, Kravchik T., Khodadadi F., Achimovich SG en Peter KA. Bitterrot van appels in het midden van de Atlantische kust van de Verenigde Staten: beoordeling van de veroorzakende soorten en de invloed van regionale weersomstandigheden en vatbaarheid van het ras. Phytopathology 111, 966–981 (2021).
Cullen MG, Thompson LJ, Carolan JK, Stout JK en Stanley DA Fungiciden, herbiciden en bijen: een systematisch overzicht van bestaand onderzoek en methoden. PLoS One 14, e0225743 (2019).
Pilling, ED en Jepson, PC Synergetische effecten van EBI-fungiciden en pyrethroïde-insecticiden op honingbijen (Apis mellifera). Pests the Science. 39, 293–297 (1993).
Mussen, EC, Lopez, JE en Peng, CY Effect van geselecteerde fungiciden op de groei en ontwikkeling van honingbijlarven Apis mellifera L. (Hymenoptera: Apidae). Wednesday. Ntomore. 33, 1151-1154 (2004).
Van Dyke, M., Mullen, E., Wickstead, D., en McArt, S. Beslissingsrichtlijn voor het gebruik van pesticiden ter bescherming van bestuivers in boomgaarden (Cornell University, 2018).
Iwasaki, JM en Hogendoorn, K. Blootstelling van bijen aan niet-pesticiden: een overzicht van methoden en gerapporteerde resultaten. Landbouw. ecosysteem. Woensdag. 314, 107423 (2021).
Kopit AM, Klinger E, Cox-Foster DL, Ramirez RA. en Pitts-Singer TL Effect van het type toevoer en blootstelling aan pesticiden op de larvale ontwikkeling van Osmia lignaria (Hymenoptera: Megachilidae). Wednesday. Ntomore. 51, 240–251 (2022).
Kopit AM en Pitts-Singer TL Blootstellingsroutes van pesticiden naar solitaire lege-nestbijen. Wednesday. Ntomore. 47, 499–510 (2018).
Pan, NT et al. Een nieuw protocol voor een bioassay met inname om de toxiciteit van pesticiden bij volwassen Japanse tuinbijen (Osmia cornifrons) te beoordelen. The Science Reports 10, 9517 (2020).
Geplaatst op: 14 mei 2024