Einfluss des Fungizids Tebuconazol auf die Qualität von Drohnensperma
Der Fortpflanzungserfolg hängt von der Qualität der Paarung ab. Bei Honigbienen ist die Qualität des Drohnenspermas einer der entscheidenden Faktoren. Eine geringe Lebensfähigkeit der Spermien kann die Fortpflanzung beeinträchtigen. Das ist eine grundlegende Frage, die auch den Diskussionen über Unterarten und deren Zucht zugrunde liegt. Wer die Gefährdung der Honigbienen verstehen will, muss die Rolle der Drohnen bei der Befruchtung und beim Fortbestehen der Völker berücksichtigen.
Der Verlust natürlicher Lebensräume und manche modernen landwirtschaftlichen Praktiken belasten Honigbienen. Verluste von Bienen und Völkern werden weltweit gemeldet. Zu den Einflussfaktoren gehören Veränderungen der jahreszeitlichen Bedingungen, Bienenkrankheiten, ungünstige Haltungspraktiken und chemische Pflanzenschutzmittel (Gregorc, 2020). Die Auswirkungen landwirtschaftlich eingesetzter Pflanzenschutzmittel auf Honigbienen finden zunehmend Beachtung. Honigbienen bestäuben Obstplantagen (Halder et al., 2019). Landwirtschaftliche Flächen sind daher wichtige Standorte für Bienenstöcke. Allerdings kann ein übermäßiger oder ungünstig terminierter Pflanzenschutzmitteleinsatz Honigbienen töten und die biologische Vielfalt beeinträchtigen. Behandlungen während der Obstblüte stellen ein besonderes Risiko dar (Uhl & Brühl, 2019).
Tebuconazol (TEB), (RS)-1-(4-Chlorphenyl)-4,4-dimethyl-3-(1,2,4-triazol-1-ylmethyl)pentan-3-ol, ist ein Fungizid und hemmt die Ergosterolbiosynthese bei Pilzen. Dadurch lassen sich bodenbürtige Pilzerreger und pilzliche Blattkrankheiten bekämpfen (Ito et al., 2013). Allerdings haben frühere Studien schädliche Wirkungen von TEB auf Gewebe beschrieben, darunter Fortpflanzungsorgane und -zellen. In humanen plazentaren Trophoblastenzelllinien verringerten 10 µM TEB die Zellproliferation und -migration, erhöhten die Apoptose und senkten die Spiegel von mRNA, die mit Proteasen, Hormonen, angiogenen Faktoren, Wachstumsfaktoren und Zytokinen assoziiert ist (Zhou et al., 2016). Bei Hamster-Ovarialgewebe hemmten 0,1 µM TEB laut einer Studie die Bildung von Testosteron und Östrogenen (Kjærstad et al., 2010). Bei bovinen Lutealzellen hemmten 10 µM die Progesteronsynthese (Atmaca et al., 2018). In Rinderhodenzellen soll 1 µM die Testosteronsekretion gesteigert und die Lebensfähigkeit der Spermien gesenkt haben (Kabakci et al., 2021).
Die Studie erörtert die akute Toxizität von TEB und die berichteten endokrinen Wirkungen. Die EU-Genehmigung des Wirkstoffs für Pflanzenschutzmittel wurde durch die Durchführungsverordnung (EU) 2026/1421 bis zum 31. Juli 2028 verlängert. Für Ratten wurde eine mittlere letale Dosis (LD₅₀) von 1 700 mg/kg angegeben (EFSA, 2015). Für Honigbienen lagen die berichteten mittleren letalen Konzentrationen nach zwei bzw. vier Tagen bei 2 770 bzw. 1 840 mg/L. Bei 20- bis 30-fach niedrigeren Konzentrationen verringerte TEB die Aktivität von Enzymen des Stoffwechsels, der Verdauung und der Entgiftung. Außerdem beeinflusste es die Expression von Genen, die mit Immunabwehr, Wachstum und Apoptose zusammenhängen (Cang et al., 2023).
Mehrere Studien haben TEB-Rückstände in Pflanzen und Früchten nachgewiesen. Die Exposition während der Blüte von Apfel-, Birn-, Kirsch- und Pfirsichbäumen, die Honigbienen Nektar und Pollen liefern, ist ein mögliches Risiko (Fang et al., 2020; Li et al., 2020; Lucini & Molinari, 2009; Mohapatra, 2015; Szarka & Ramanarayanan, 2021). Frühere Studien brachten die Exposition an behandelten Blüten oder über belastete Nahrung mit akuter Toxizität oder Larvensterblichkeit in Verbindung (Fine et al., 2017; Yoder et al., 2017). Johnson et al. (2010) berichteten über höhere TEB-Rückstände in Honigbienen und niedrigere Gehalte in Pollen und Honig.
Die Qualität des Drohnenspermas ist für die Fortpflanzung entscheidend. Die Spermienmotilität (MOT) wird häufig zur Beurteilung der Befruchtungsfähigkeit herangezogen. Nach der Paarung sammelt sich das Sperma zunächst in den Eileitern der Königin. Ein Teil der Spermien wandert in die Spermatheka. Bei der Eiablage werden Spermien aus diesem Organ freigesetzt und können Eizellen befruchten, aus denen Arbeiterinnen hervorgehen. Die Spermienmotilität trägt sowohl zur Speicherung in der Spermatheka als auch zur Befruchtung bei der Eiablage bei (Cobey et al., 2013). Die Integrität der Plasmamembran (PMI) und das mitochondriale Membranpotenzial (MMP) sind weitere wichtige Kriterien der Spermaqualität. Die PMI gibt über die selektive Durchlässigkeit der Membran Auskunft über die Lebensfähigkeit der Zelle. Das MMP spiegelt die Funktion der Mitochondrien wider, die an der ATP-Synthese beteiligt sind (Kaya & Uysal, 2023).Eine geringe Qualität des Drohnenspermas kann das Fortbestehen eines Honigbienenvolks beeinträchtigen.
Umweltschadstoffe können die Spermaqualität beeinflussen. Schädliche Wirkungen von TEB auf die Fortpflanzung waren bei verschiedenen Tieren und in menschlichen Zellmodellen beschrieben worden, doch die Auswirkungen auf Drohnensperma waren unklar (Kabakci et al., 2021; Taxvig et al., 2007; Yan et al., 2023; Zhou et al., 2016). Die Studie untersuchte daher in vitro, wie Konzentration und Expositionsdauer die MOT, PMI und das MMP der Drohnenspermien beeinflussen.
Die Drohnen stammten aus dem Bienenforschungszentrum der Universität Kırıkkale. Das Sperma wurde im Mai und Juni gewonnen, wenn in diesem kontinentalen Klima die meisten geschlechtsreifen Drohnen vorhanden sind. Die Forschenden nutzten sechs etwa gleich starke Völker mit gleich alten Königinnen und gewannen insgesamt 100 µL Sperma mit einem Schley-Gerät zur instrumentellen Besamung. Sie prüften 0, 1, 10, 100 und 1 000 µM TEB bei 33 °C. Die Spermaqualität wurde zu Beginn und nach 24 Stunden Inkubation gemessen (Cobey et al., 2013). Alle Versuche wurden mindestens sechsmal wiederholt.
Nach 24 Stunden Inkubation verringerte die höchste TEB-Konzentration (1 000 µM) die MOT, die PMI und das MMP der Spermien gegenüber den übrigen Konzentrationen signifikant (p < 0,05, Abbildung 4). Die beobachteten Effekte unterschieden sich je nach Konzentration und Expositionsdauer. Bei 1 000 µM waren MOT und PMI bereits bei der ersten Messung niedriger (Abbildung 1). Das MMP sank nach 24 Stunden ebenfalls (Abbildung 2).
Weitere In-vitro- und In-vivo-Studien beschrieben Auswirkungen von Triazolfungiziden, darunter TEB, auf die Fortpflanzung verschiedener Arten. Bei bovinen Hodenzellen und Sperma erhöhte 1 µM TEB die Testosteronproduktion der Leydig-Zellen und verringerte die Lebensfähigkeit der Spermien (Kabakci et al., 2021). Beim Bullensperma wurden Effekte bei einer niedrigeren Konzentration als im Drohnenversuch beobachtet. Unterschiede im Aufbau und in der Lebensdauer der Spermien könnten dazu beitragen. Unter den von den Autoren angeführten Lagerbedingungen blieben Drohnenspermien bei Raumtemperatur etwa sechs Wochen und Bullenspermien etwa zwei bis drei Tage lebensfähig (Burley et al., 2008; De Pauw et al., 2003). Die orale TEB-Exposition trächtiger Ratten wurde mit einer Feminisierung männlicher Nachkommen und veränderter Testosteron- und Progesteronproduktion in Verbindung gebracht (Taxvig et al., 2007). Beim Zebrabärbling beeinträchtigte TEB die Hodenentwicklung und senkte die Spermienmotilität (Yan et al., 2023).
Unter Freilandbedingungen können Honigbienen verschiedenen Pflanzenschutzmitteln ausgesetzt sein, darunter TEB. Die Forschung zu Auswirkungen auf Bienenvölker und ihre Fortpflanzung ist begrenzt.In einer Studie an Drohnen verringerte die orale Exposition gegenüber 200 ppb Imidacloprid die Spermienmotilität und beeinflusste das MMP, während die PMI unverändert blieb (Ciereszko et al., 2017).In einer weiteren Studie verringerten Rückstände von Amitraz, Fluvalinat und Coumaphos im zur Aufzucht verwendeten Bienenwachs die Lebensfähigkeit der Drohnenspermien um 5–20 % (Fisher & Rangel, 2018). Kairo et al. (2016) beobachteten, dass Fipronil die PMI und den ATP-Gehalt der Drohnenspermien gegenüber der Kontrolle senkte (Kairo et al., 2016). Ebenso verringerte die Exposition von Drohnen gegenüber Neonikotinoiden die PMI der Spermien um 20 % gegenüber der Kontrollgruppe (Straub et al., 2021).
Nur wenige Studien untersuchten die Auswirkungen von Pflanzenschutzmitteln auf Drohnensperma in vitro. Die verfügbaren Studien berichteten nach der Exposition gegenüber ausgewählten Wirkstoffen über Veränderungen der Spermienmotilität, der Plasmamembranintegrität und/oder des ATP-Gehalts (Abdelkader et al., 2015; Inouri-Iskounen et al., 2020).
Die Autoren bezeichnen ihre Arbeit als erste In-vitro-Studie zur Wirkung von Tebuconazol auf die Qualität von Drohnensperma. Bei 1 000 µM sanken MOT und PMI zu beiden Messzeitpunkten und das MMP nach 24 Stunden. Bei 0 bis 100 µM wurden für diese Parameter keine statistisch signifikanten Unterschiede festgestellt.Die Spermienmotilität ist ein wichtiger Parameter der Fortpflanzungsfähigkeit. Sie nahm zu beiden Messzeitpunkten ab in der Gruppe mit 1 000 µM TEB. Ein Verlust der Plasmamembranintegrität kann die Zellen schädigen und die Motilität senken. Mehrere Studien fanden einen Zusammenhang zwischen Motilität und PMI (Ahmad et al., 2014; Fraser et al., 2001; Varisli et al., 2009). Die Bewegung der Spermien erfordert eine kontinuierliche Energiezufuhr. ATP stellt diese Energie bereit, und Mitochondrien tragen zu seiner Bildung bei (Abdelkader et al., 2015).Das MMP nahm nach 24 Stunden Exposition gegenüber 1 000 µM TEB signifikant ab. Dies könnte zur geringeren Motilität am Ende der Exposition beigetragen haben. Die PMI wird häufig zur Beurteilung der Lebensfähigkeit von Drohnenspermien gemessen (Kaya & Uysal, 2023). In vitro verringerte die Exposition gegenüber 1 000 µM TEB die PMI. Die Autoren erörtern eine mögliche Wirkung auf die Zellmembran. Bei Pilzen hemmt TEB ein an der Ergosterolsynthese beteiligtes Cytochrom-P450-Enzym und beeinflusst so die Membranintegrität (Ito et al., 2013). Bei Ratten berichteten Hajer et al. (2020) über eine Hemmung von P450 und Glutathion-S-Transferase im Hoden, Nebenhodenentzündungen und niedrigere Spermienzahlen. In-vivo-Studien an Ratten (Hajer et al., 2020) und Hühnern (Serra et al., 2023) berichteten über mehr Spermienanomalien und Rückgänge bei Motilität, Geschwindigkeit, Anzahl und/oder Lebensfähigkeit der Spermien.
Oxidativer Stress ist eine weitere mögliche Erklärung für die verringerte PMI. Frühere Arbeiten brachten TEB mit Lipidperoxidation, Proteinoxidation und ausgeprägtem DNA-Abbau in männlichen Fortpflanzungsorganen in Verbindung (Hajer et al., 2020).Das MMP ist ein Maß für die Mitochondrienfunktion. Frühere Untersuchungen zeigten, dass Pflanzenschutzmittel in der Umwelt den ATP-Gehalt der Spermien beeinflussen können (Abdelkader et al., 2015; Kairo et al., 2016). In diesem Versuch verringerte 1 000 µM TEB das MMP nach 24 Stunden. Die Autoren erörtern mögliche subletale Wirkungen einer längeren Exposition oder einer Anreicherung bei niedrigeren Konzentrationen.
Fungizidrückstände, darunter TEB, wurden in der Umwelt, in Honigbienen und in Bienenprodukten nachgewiesen. Eine langfristige Exposition bei niedrigen Konzentrationen wirft eine eigene Frage auf. Endokrine, metabolische und systemische Wirkungen hängen vom Organismus, der Konzentration und der Expositionsdauer ab (Johnson et al., 2010).
Fazit Die Studie untersuchte mögliche In-vitro-Wirkungen des Triazolfungizids TEB auf die Qualität von Drohnensperma. Die Integrität der Plasmamembran und die Mitochondrienfunktion tragen zur Lebensfähigkeit und Motilität der Spermien bei. Die beobachteten Veränderungen geben Anlass, mögliche Folgen für die Fortpflanzung von Honigbienen und für die Erzeugung von Honig und anderen Bienenprodukten unter Freilandbedingungen weiter zu untersuchen.
Abdulkadir KAYA (Abteilung für Reproduktion und künstliche Besamung, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Kırıkkale, Kırıkkale, Türkiye; Institut für Gesundheitswissenschaften, Universität Ankara, Ankara, Türkiye) und Ruhi KABAKÇI (Abteilung für Physiologie, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Kırıkkale, Kırıkkale, Türkiye)
Turkish Veterinary Journal, 6(2), S. 71–77, 2024 · DOI 10.51755/turkvetj.1577784
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