Puhdistuskäyttäytyminen varroapunkkia vastaan luonnonvaraisilla mehiläisillä

Hoidetuissa tarhamehiläisyhdyskunnissa on raportoitu 30–40 %:n vuotuisia menetyksiä (Kulhanek ym. 2017). Ulkoloinen Varroa destructor on ollut merkittävä uhka eurooppalaisille tarhamehiläisille siitä lähtien, kun se kulkeutui Yhdysvaltoihin (Akimov ym. 2004; Nazzi ja Le Conte 2016). Punkki käyttää ravinnokseen mehiläisen rasvakudosta ja levittää viruksia. Punkkisaastunta voi haitata mehiläisten kehitystä, muuttaa käyttäytymistä ja lyhentää elinikää (Ramsey ym. 2019; Wilfert ym. 2016). Aasianmehiläinen (Apis cerana) on varroapunkkien alkuperäinen isäntä (Oldroyd 1999).Apis ceranalle on kehittynyt useita puolustuskeinoja varroapunkkeja vastaan. Niitä ovat puhdistuskäyttäytyminen, saastuneiden sikiöiden poistaminen, muut hygieeniset käyttäytymistavat ja punkkien lisääntymisen estäminen (Grindrod ja Martin 2023; Morfin ym. 2023). Myös joillekin luonnonvaraisille Apis mellifera -populaatioille on kehittynyt punkinkestävyyttä.

Varroa destructor

Puhdistuskäyttäytyminen on yksi punkinkestävyyteen liittyvistä piirteistä. Mehiläiset voivat irrottaa punkkeja ruumiistaan ja samalla purra niitä (Arechavaleta-Velasco ym. 2012; Büchler ym. 1992; Diao ym. 2018; Moritz ym. 2007; Peng ym. 1987; Ruttner ja Hanel 1992; Seeley 2007; Morfin ym. 2020; Smith ym. 2021). Kentuckyn luonnonvaraiset tarhamehiläiset on tunnistettu Apis mellifera mellifera -alalajiksi (Carpenter ja Harpur 2021). Afrikkalaistuneita mehiläisiä koskevassa tutkimuksessa punkkien poistumisaste oli 38,5 % (Moretto ym. 1991). Punkinkestävyyttä on havaittu myös Puerto Ricon vähäaggressiivisilla afrikkalaistuneilla mehiläisillä (gAHB), joiden perimässä on A. m. scutellata -alalajin osuutta (Avalos ym. 2017).

Röntgenmikrotomografia (mikro-CT eli µCT) tuottaa tarkkoja kolmiulotteisia kuvia ja vaatii verrattain vähän näytteiden valmistelua (Palci ym. 2016). Menetelmällä on tutkittu mehiläisten, muurahaisten ja muiden hyönteisten anatomiaa ja evoluutiota (Coty ym. 2014; Larabee ym. 2017; Li ym. 2011; Smith ym. 2021). Kirjoittajat kuvasivat mehiläisten yläleuat mikro-CT:llä ja vertasivat niiden kolmiulotteisia mittoja. Puhdistuskäyttäytymiseen liittyviä punkkivaurioita on perinteisesti arvioitu mikroskoopilla (Grindrod ja Martin 2023). Mobiilisovellukset ja kuvien luokittelu voivat helpottaa arviointia. Konvoluutioneuroverkko (CNN) voi oppia tunnistamaan kuvapiirteitä verrattain vähäisellä käsin tehtävällä esikäsittelyllä (Jogin ym. 2018). Siirto-oppimisella esikoulutettu verkko voidaan mukauttaa luokittelemaan uusia kohteita melko pienen aineiston avulla (Shin ym. 2016).

Kirjoittajat odottivat Ohion (A. m. ligustica) ja Kentuckyn (A. m. mellifera) luonnonvaraisten yhdyskuntien purevan punkkeja useammin kuin kaupallisten yhdyskuntien. He vertasivat yläleukojen muotoa A. m. ligustica -populaatioissa, vähäaggressiivisissa afrikkalaistuneissa risteymissä ja kaupallisissa yhdyskunnissa. He kehittivät myös mobiilisovelluksen, joka tunnistaa vaurioituneet punkit kuvista konvoluutioneuroverkkojen avulla.

Tulokset

Luonnonvaraisten Apis mellifera -mehiläisten puhdistuskäyttäytyminen

Regressioanalyysissä yhdyskunnasta kerättyjen punkkien kokonaismäärä ei ollut tilastollisesti merkitsevä selittäjä. Kolmea populaatiota verrattiin käyttäen vaurioituneiden punkkien osuutta puremisen mittarina. Tutkijat keräsivät 2 518 punkkia 58 kaupallisesta yhdyskunnasta ja 4 981 punkkia 97 luonnonvaraisesta yhdyskunnasta. Kentuckyn luonnonvaraisilla A. m. mellifera -yhdyskunnilla vaurioituneiden punkkien osuus oli noin 34 % suurempi kuin kaupallisissa yhdyskunnissa.Ohion luonnonvaraisilla A. m. ligustica -yhdyskunnilla vaurioituneiden punkkien osuus oli 49 % suurempi kuin kaupallisissa yhdyskunnissa. Molemmissa luonnonvaraisissa ryhmissä havaittiin merkkejä puhdistuskäyttäytymisestä. Populaatio selitti tilastollisesti merkitsevästi vaurioituneiden punkkien osuutta.

Tutkijat selvittivät tavallisen pienimmän neliösumman regression avulla, ennustiko näytteenottovuosi puhdistuskäyttäytymistä. Vuosina 2020, 2021, 2022 ja 2023 näytteistettiin vastaavasti 20, 28, 57 ja 50 yhdyskuntaa. Vuosi ei ollut tilastollisesti merkitsevä selittäjä.

Mikro-CT-kuva tarhamehiläisen yläleuan sisäpinnasta

Apis mellifera- ja Apis cerana -lajien yläleukojen vertailu

Tutkijat mittasivat työläisten yläleuoista pitkän ja lyhyen leikkuureunan, korkeuden sekä piikkialueen leveyden. Ryhmät olivat A. cerana, vähäaggressiiviset afrikkalaistuneet A. m. scutellata -risteymät, Ohion luonnonvaraiset A. m. ligustica -mehiläiset ja kaupallisista mehiläispaketeista peräisin olevat A. m. ligustica -mehiläiset. Kaupallisten mehiläisten molemmat leikkuureunat olivat tilastollisesti merkitsevästi pidempiä kuin muilla kolmella ryhmällä. Yläleuka oli korkein A. ceranalla ja matalin Ohion luonnonvaraisella A. m. ligusticalla. Piikkialueen leveydessä ei ollut merkitseviä eroja.

Johtopäätökset

Vaurioituneiden punkkien osuus oli suurempi Ohion luonnonvaraisissa A. m. ligustica -yhdyskunnissa ja Kentuckyn luonnonvaraisissa A. m. mellifera -yhdyskunnissa kuin kaupallisissa yhdyskunnissa. Tämä sopii yhteen sen kanssa, että mehiläiset purevat punkkeja useammin puhdistaessaan itseään tai toisiaan. Tutkijat havaitsivat myös eroja yläleuan muodossa A. ceranan, Ohion luonnonvaraisen A. m. ligustican, Puerto Ricon vähäaggressiivisten afrikkalaistuneiden risteymien ja kaupallisen A. m. ligustican välillä. He kehittivät mobiilisovelluksen, joka tunnistaa vaurioituneet punkit kuvista koneoppimisen avulla.

Kerättyjen punkkien kokonaismäärä ei eronnut tilastollisesti merkitsevästi kaupallisten ja luonnonvaraisten yhdyskuntien välillä. Tämä viittaa siihen, että punkkimäärät jakautuivat samankaltaisesti tutkituissa yhdyskunnissa. Puhdistuskäyttäytyminen on yksi piirre, joka voi vähentää aikuisten mehiläisten punkkisaastuntaa. Sen tehokkuudesta ja periytyvyydestä on keskusteltu (Büchler 2010). Uudemmissa tutkimuksissa runsaasti puhdistautuvat yhdyskunnat selvisivät, vaikka niiden punkkisaastunta oli samantasoinen kuin vertailuyhdyskunnissa (Nganso ym. 2017; Smith ym. 2021). Saastuntaan vaikuttavat myös punkkien geneettiset erot, varroapunkkien levittämät taudinaiheuttajat ja muut isännän ja loisen väliset vuorovaikutukset (Mondet ym. 2020; Le Conte ym. 2020; Moro ym. 2021; Zheng ym. 2023).

Populaatiogeneettisillä tutkimuksilla voitaisiin selvittää, esiintyykö näissä yhdyskunnissa erilaisia Varroa-linjoja, kun puhdistuskäyttäytymisen jalostus yhtenä punkinkestävyyden ominaisuutena jatkuu.Aiemmat tutkimukset osoittivat, että työläiset voivat purra varroapunkkien jalkoja poikki (Ruttner ja Hanel 1992). Ruttner ja Hanel (1992) kuvasivat näkyvää valkoista kudosta katkenneiden jalkojen päissä elävänä tai kuolleena kerätyillä vaurioituneilla punkeilla.

Vaurioituneiden punkkien osuus oli laskennassa tilastollisesti merkitsevästi suurempi Ohion ja Kentuckyn luonnonvaraisissa yhdyskunnissa kuin kaupallisissa yhdyskunnissa. Havainto tukee aiempaa näyttöä, jonka mukaan puhdistuskäyttäytyminen ja punkkien pureminen liittyvät luonnonvaraisten yhdyskuntien punkinkestävyyteen (Russo ym. 2020; Smith ym. 2021).Vaurioituneiden punkkien osuus oli Kentuckyn luonnonvaraisissa yhdyskunnissa 34 % ja Ohion yhdyskunnissa 49 % suurempi kuin kaupallisissa yhdyskunnissa. Punkkien irrottamista ja puremista puhdistautumisen aikana on kuvattu vuodesta 1929 lähtien (Haydak 1929; Frisch 1967; Smith ym. 2021).

Tulokset puoltavat puhdistuskäyttäytymisen huomioon ottamista muiden ominaisuuksien ohella punkinkestävyyden jalostuksessa (Danka ym. 2011; Rinderer ym. 2010; Spivak 1996). Van Alphen ja Fernhout (2020) raportoivat myös voimakkaasta puhdistuskäyttäytymisestä Euroopan ja Etelä-Amerikan luonnonvaraisissa yhdyskunnissa.

Työläiset käyttävät yläleukojaan moniin tehtäviin, myös puolustautumiseen loisia vastaan (Papachristoforou ym. 2012; Ruttner ja Hanel 1992). Tutkijat havaitsivat eroja pitkän ja lyhyen leikkuureunan pituudessa sekä yläleuan korkeudessa tutkituilla A. cerana- ja A. mellifera -populaatioilla. Aiemmat pyyhkäisyelektronimikroskoopilla otetut kuvat punkkien katkaistuista jaloista antoivat aiheen olettaa, että yläleuan kaksi leikkuureunaa toimivat saksien terien tavoin (Ruttner ja Hanel 1992). Luonnonvaraisten ja vähäaggressiivisten afrikkalaistuneiden mehiläisten leikkuureunat muistuttivat A. ceranan leikkuureunoja ja olivat merkitsevästi lyhyempiä kuin kaupallisilla mehiläisillä. Lyhyemmät leikkuureunat voisivat helpottaa punkkien puremista. Vertailu ei osoita, että erot olisivat kehittyneet varroapunkin vaikutuksesta.

Kirjoittajat arvelevat, että luonnonvalinta on saattanut suosia punkkien tehokkaampaa poistamista luonnonvaraisissa yhdyskunnissa sen jälkeen, kun Varroa saapui Yhdysvaltoihin vuonna 1987 (Hunt ym. 2016; Smith ym. 2021). Tämä sopii yhteen sen kanssa, että Indianassa punkkien puremiseen valikoiduilla yhdyskunnilla on havaittu eroja pitkässä leikkuureunassa (Smith ym. 2021). A. cerana on yleensä hieman A. melliferaa pienempi (Ruttner ja Hanel 1992; Yue ym. 2018). Tässä tutkimuksessa luonnonvaraisten mehiläisten molemmat leikkuureunat olivat lyhyemmät kuin kaupallisten mehiläisten ja yhtä pitkät tai pidemmät kuin A. ceranalla. Aiemmat tutkimukset osoittavat myös, että helleaallot ja lämpötilan muutokset voivat vaikuttaa työläisten kokoon (Poot-Báez ym. 2020).

Luonnonvaraisten ja kaupallisten yhdyskuntien mehiläisten yläleukojen mittoja on syytä verrata lisää. Tutkimuksessa käytettiin vaurioituneiden punkkien osuutta puhdistuskäyttäytymisen epäsuorana mittarina ja oletettiin, että yhdyskunnan työläiset aiheuttivat vauriot. Aiemmat työt tukevat vaurioituneiden punkkien käyttöä tällaisena mittarina (Büchler ym. 1992; Ruttner ja Hanel 1992).

Elävien punkkien poistamista on vaikea havainnoida suoraan pesässä (Peng ym. 1987). Automaattisia järjestelmiä on käytetty hyönteisten aggressiivisen käyttäytymisen analysointiin (Li-Byarlay ym. 2014; Lim ym. 2014). Kirjoittajat ehdottavat suoria kenttähavaintoja puhdistuskäyttäytymisestä. Aiemmassa tutkimuksessa kuvattiin kameraa ja koneoppimista hyödyntävä järjestelmä varroapunkkien havaitsemiseksi yhdyskunnissa (Bilik ym. 2024). Tässä tutkimuksessa kehitettiin konvoluutioneuroverkkoon perustuva sovellus, joka tunnistaa punkkien vaurioita kuvista. Se voisi nopeuttaa arviointia, ja tuleva versio voisi toimia pilvipalvelussa.

Kaiken kaikkiaan vaurioituneiden punkkien osuus oli suurempi luonnonvaraisissa A. m. ligustica- ja A. m. mellifera -yhdyskunnissa kuin kaupallisissa yhdyskunnissa. Tämä sopii yhteen sen kanssa, että luonnonvaraiset mehiläiset purevat punkkeja useammin puhdistautuessaan. Vähäaggressiivisia afrikkalaistuneita risteymiä ja Ohion luonnonvaraisia A. m. ligustica -mehiläisiä koskevissa vertailuissa havaittiin eroja työläisten yläleuan pitkän ja lyhyen leikkuureunan pituudessa sekä yläleuan korkeudessa. Tutkijat kehittivät myös mobiilisovelluksen, joka tunnistaa punkkien vauriot konvoluutioneuroverkon avulla. Tulokset auttavat kuvaamaan luonnonvaraisten yhdyskuntien puhdistuskäyttäytymistä ja suuntaamaan jatkotutkimusta ja jalostusta.

Apidologie (2025) © Kirjoittajat, 2024 · Hongmei Li-Byarlay (Department of Agricultural and Life Sciences, Central State University, Wilberforce, OH 45384, Yhdysvallat) Kaila Young (Department of Agricultural and Life Sciences, Central State University, Wilberforce, OH 45384, Yhdysvallat) Xaryn Cleare (Department of Agricultural and Life Sciences, Central State University, Wilberforce, OH 45384, Yhdysvallat) Deng Cao (Department of Computer Science and Mathematics, Central State University, Wilberforce, OH 45384, Yhdysvallat) Shudong Luo (Institute of Apicultural Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Peking 102600, Kiina)

Koko artikkeli https://doi.org/10.1007/s13592-024-01126-z