Fattori che influenzano la resilienza al calore delle api da miele (Apis mellifera) e del loro sperma

Surriscaldamento globale

A causa del cambiamento climatico si prevede che le ondate di calore aumenteranno in frequenza e gravità, minacciando la fertilità di molti animali, compresi gli insetti. Temperature estreme all'interno dell'intervallo di ciò che può verificarsi durante le ondate di calore estive (35 - 45 ̊C) possono avere un impatto negativo sulla fertilità dei coleotteri della farina (Triboliumcastaneum), dei moscerini della frutta (Drosophila spp.), dei bombi (Bombus spp.), delle falene della frutta (Grapholita molesta), delle vespe parassitoidi (Anisopteromalus calandrae e Aphidius avenae) e delle api da miele (Apis mellifera).

Sebbene molte specie di insetti siano colpite dallo stress da calore, il potenziale impatto sulle api da miele è particolarmente preoccupante perché sono le specie impollinanti più utilizzate nei sistemi agricoli. Le api da miele tollerano una vasta gamma di climi, con popolazioni autoctone in Africa, Asia ed Europa; tuttavia, le regine (femmine riproduttive) e i droni (maschi riproduttivi) sono suscettibili alla perdita di fecondità indotta dal calore, con una significativa morte di spermatozoi derivante dall'esposizione al calore. Le regine possono sopravvivere allo stress da calore, ma la vitalità delle cellule spermatiche immagazzinate all'interno della loro spermateca diminuisce quando le regine sono esposte a temperature superiori a 38 ̊C per un eccesso di 2 ore. Allo stesso modo, gli spermatozoi all'interno dei droni periscono anche dopo l'esposizione al calore. Queste perdite di vitalità dello sperma sono riduzioni permanenti della fertilità, poiché le regine si accoppiano solo durante un breve periodo all'inizio della vita e non possono acquisire più sperma in seguito, mentre i droni producono sperma solo durante lo sviluppo e non l'età adulta.

In modo preoccupante, i droni, nonostante abbiano masse corporee simili, sono più suscettibili alla mortalità indotta dal calore rispetto alle regine. Mentre è ben noto che le colonie di api da miele possono mantenere temperature straordinariamente stabili nel nido di covata, esistono pochi dati sulle fluttuazioni termiche all'interno delle colonie durante le ondate di calore. Tuttavia, uno studio condotto in California ha riferito che temperature superiori a 42 ̊ C possono verificarsi all'interno delle colonie durante un'ondata di caldo (quando le temperature ambientali hanno raggiunto i 45 ̊C e l'accesso all'acqua è limitato), con temperature particolarmente calde alla periferia del nido dove i droni sessualmente maturi tendono a riunirsi.

Ulteriori studi, in cui le temperature nel nido di covata hanno raggiunto fino a 40 ̊C, confermano che le temperature pericolosamente calde possono verificarsi all'interno delle colonie. Anche se non ancora studiato (al meglio delle nostre conoscenze), è anche possibile che i droni possano sperimentare temperature estreme durante il comportamento della barba, quando un gran numero di api esce dal nido in condizioni di calore estremo per ridurre al minimo la produzione interna di calore. Pertanto, nonostante la capacità delle colonie di termoregolarsi sotto l'esposizione al calore in una certa misura, i droni sono probabilmente ancora a rischio di stress da calore in condizioni estreme, che probabilmente diventeranno sempre più comuni.

Drone bees (maschio api da miele)

Sebbene siano chiaramente indispensabili per la riproduzione, si sa poco sui fattori che regolano il modo in cui il calore influisce sulla sopravvivenza e sulla fertilità dei droni. Due studi precedenti hanno dimostrato che i droni sono sensibili alla mortalità indotta dal calore, ma non sono d'accordo sull'entità di questa sensibilità. McAfee et al. hanno riferito che il 50% dei droni è sopravvissuto a un trattamento di 6 ore a 42 ̊C, mentre Stürup et al. hanno riferito che solo il 23% dei droni è sopravvissuto a un trattamento più breve (4 ore) alla stessa temperatura. Mentre ci sono molte potenziali spiegazioni per le discrepanze nei risultati tra i laboratori, due possibilità - in parte che motivano questa ricerca - sono che 1) i droni derivati da popolazioni diverse potrebbero essere adattati a climi diversi e quindi mostrare una diversa tolleranza al calore, e 2) la variazione in altre caratteristiche, come la massa corporea o le interazioni con altri fattori di stress (ad esempio, infezioni patogene) possono far sì che alcuni droni siano più resistenti al calore rispetto ad altri. Ci si potrebbe aspettare che i droni più pesanti e più grandi siano più resistenti al calore, una relazione che a volte è stata trovata in altre specie di insetti.

Dal momento che abbiamo precedentemente dimostrato che la massa corporea del drone è positivamente correlata al numero di spermatozoi vitali contenuti all'interno del drone, suggerendo un maggiore investimento riproduttivo, ci si può anche aspettare che i droni più pesanti producano spermatozoi di qualità superiore che sono più resistenti allo stress, come il calore. Al converso, ci si potrebbe aspettare che le infezioni patogene abbiano un effetto positivo o negativo sulla resilienza al calore, a seconda dell'agente patogeno in questione. Ad esempio, gli agenti patogeni potrebbero ridurre la forma fisica individuale sia attraverso gli effetti diretti della malattia che attraverso un compromesso riproduzione-immunità, come è stato osservato in altri insetti (anche se una recente analisi correlazionale non supporta questa idea nei droni delle api da miele). Oppure, poiché ci sono prove di cross-talk tra l'immunità antivirale e le proteine di risposta allo stress da calore, è ipotizzabile che alcune infezioni virali possano controintuitivamente migliorare la tolleranza al calore (ipotesi che discuteremo in seguito).

Nonostante gli insetti generalmente mostrino relativamente poca variazione nella resilienza termica superiore, la resilienza termica degli ectotermi terrestri diminuisce con l'aumentare della latitudine (cioè, lungo un gradiente dai climi tropicali a temperati). Ricerche precedenti mostrano che le api da miele originarie dell'Arabia Saudita (Apismellifera jemenitica) sono significativamente più tolleranti al calore rispetto alle api da miele originarie dell'Europa (Apis mellifera carnica), il che è coerente con tale tendenza rispetto alla latitudine. Inoltre, le analisi delle api da miele ancestrali condotte in Colombia mostrano che le colonie a basse altitudini (temperature più calde) sono state arricchite geneticamente dall'ibridazione con gli antenati africani, mentre le colonie ad alta quota (temperature più fresche) sono state arricchite dagli antenati europei.

Inoltre, i modelli di espressione proteica nelle api da miele lavorate campionate attraverso un gradiente latitudinale mostrano prove di adattamento climatico locale. Non è stato ancora testato se i modi documentati per le operaie si estendono agli individui riproduttivi e alle diverse popolazioni. Ampliare le nostre conoscenze in questo settore può aiutare a prevedere i risultati di diversi lignaggi o linee di api da miele in un clima che cambia. Un clima più caldo può anche portare a interazioni sorprendenti con le malattie. Ci sono prove crescenti che le proteine heat-shock (HSP) - un gruppo conservato di proteine la cui espressione normalmente aumenta in risposta al calore, sebbene generalmente funzionino per ridurre il malfolding e l'aggregazione delle proteine, sono anche una parte importante della risposta immunitaria antivirale nelle api da miele e altri insetti. Ciò suggerisce che l'esposizione alla temperatura e l'infezione virale possono avere effetti interattivi sulla fisiologia delle api da miele.

Mc Menamin et al. dimostranò che sia l'esposizione al calore che l'inoculazione virale hanno aumentato l'espressione di HSP e l'esposizione delle api da miele al calore poco dopo averle infettate con un virus ha migliorato la capacità delle api di eliminare l'infezione. È quindi concepibile che il contrario possa essere vero: che una precedente infezione da virus potrebbe migliorare la capacità delle api di tollerare il calore, in termini di drone o sperma sur-vival, attraverso i doppi ruoli degli HSP. Nessuno dei due scenari è stato studiato nei droni, nonostante i droni siano colpiti in modo sproporzionato dai virus a causa del parassitismo preferenziale da parte di varroa destructor (importante vettore di virus delle api da miele).

Si sa sorprendentemente poco su come le infezioni virali influenzino la fertilità del drone e le interazioni tra calore e virus sulla fertilità del drone non sono state esplorate. I dati storici ci mostrano che il numero di giorni di ondata di calore è aumentato di più nelle regioni tropicali; tuttavia, condizioni estreme possono verificarsi anche nei climi temperati, che si stanno riscaldando a un ritmo più veloce. Nel 2021, dal 25 giugno al 1° luglio, durante l'ondata di calore nel Canada occidentale e nel nord-ovest del Pacifico le temperature erano sufficientemente estreme (fino a 49,6 ̊C) per gli apicoltori della regione per osservare impatti negativi sulle loro colonie, compresa la morte della colonia. Pertanto, gli apicoltori nelle regioni temperate ad alta latitudine dovranno probabilmente iniziare a impiegare strategie di gestione del calore che non sono state storicamente necessarie. Tali strategie possono includere approcci meccanici (ad esempio, isolamento dell'alveare tutto l'anno, ombreggiatura, ecc.), che potrebbero supportare colonie per periodi più brevi di esposizione al calore.

Se la gestione della temperatura dell'alveare da parte dell'apicoltore dovesse diventare inefficace o impraticabile, la selezione strategica delle linee e l'allevamento per la resilienza climatica saranno una componente cruciale di un piano di gestione integrato. Tale sforzo si dovrà basare prima sull'identificazione delle relazioni tra la resilienza al calore e l'origine della popolazione, e tra gli altri fattori quello delle scorte esistenti. La California meridionale non è stata seriamente colpita dall'ondata di caldo del 2021 sopra descritta, ma questa regione ha anche visto uno spostamento verso temperature più estreme in generale. L'area geografica è stata storicamente classificata come semiarida (Köppen classificazione climatica BSk), ma recentemente è diventata più simile a un clima arido (Köppen classificazione climatica BWh) con estati calde e secche. In modo preoccupante, la frequenza delle ondate di calore è aumentata rapidamente nel sud della California dal 1950. Ad esempio, una grande ondata di caldo dal 5 al 7 settembre 2020, nella contea di Riverside ha fatto sì che i massimi diurni raggiungessero i 47 ̊C. È interessante notare che l'analisi genetica delle api da miele non gestite (selvatiche) nel sud della California mostra che possiedono circa il 38% di ascendenza africana. Poiché le api da miele africane sopravvivono nei climi caldi e le api da miele non gestite nel sud della California sono state storicamente e sempre più esposte a caldo intenso, ci aspettiamo che le api di questa popolazione possiedano adattamenti allo stress da calore.

Fuco morto post eiaculazione. Temperature elevate possono indurre l'eversione involontaria dell'endofallo e la morte

In questo lavoro, abbiamo studiato i fattori che influenzano la resilienza al calore dei droni delle api da miele e del loro sperma. Abbiamo testato l'influenza dell'origine della popolazione e della massa corporea sul drone e sulla sopravvivenza dello sperma durante i saggi di stress del calore, nonché l'impatto dell'infezione virale acquisito negli adulti sulla resilienza al calore da parte dello sperma.

In primo luogo, per indagare la relazione tra massa corporea e probabilità di sopravvivenza, abbiamo registrato la massa corporea adulta e la sopravvivenza dopo quattro ore di stress da calore a 42 ̊C. In un secondo esperimento di sfida termica, abbiamo valutato il potenziale adattamento locale confrontando la sopravvivenza del drone tra i lignaggi della California meridionale e della California settentrionale, con la California meridionale caratterizzata da un clima arido con temperature massime più estreme rispetto alla California settentrionale. Infine, abbiamo studiato le relazioni tra massa corporea, inoculazione del virus ed esposizione al calore utilizzando saggi di stress da calore in vitro in cui lo sperma è stato estratto dai droni e sottoposto a una serie di temperature e tempi diversi.

Abbiamo ipotizzato che:

1) la resilienza al calore dei droni e del loro sperma rifletterebbe i climi locali della loro origine geografica della popolazione (ad esempio, i droni della California meridionale sarebbero più resistenti al calore rispetto ai droni della California settentrionale),

2) che i droni più pesanti avrebbero maggiori probabilità di sopravvivere a uno stress termico rispetto ai droni più leggeri e produrrebbero sperma con una maggiore resilienza al calore,

3) che a causa della diafonia tra shock termico e l'espressione genica antivirale, l'infezione virale influenzerebbe positivamente la resilienza termica dello sperma.

MATERIALI E METODO: leggi l'articolo originale

CONCLUSIONI

Nel tentativo di capire quali tratti contribuiscono alla resilienza al calore dei droni delle api da miele e al loro potenziale di accoppiamento (vitalità degli spermatozoi), abbiamo studiato come l'origine della popolazione, la massa corporea e lo stato di infezione virale abbiano influenzato la resilienza al calore dei droni e degli spermatozoi in una serie di esperimenti.

I nostri risultati principali sono stati che:

1) i droni più pesanti avevano maggiori probabilità di sopravvivere a una sfida acuta di calore;

2) lo sperma di droni con diverse origini di popolazione all'interno della Columbia Britannica aveva livelli altamente variabili di resilienza al calore;

3) i droni della California meridionale avevano maggiori probabilità di sopravvivere a uno stress da calore rispetto ai droni autoctoni della California settentrionale;

4) lo sperma di droni più pesanti non era più tollerante al calore rispetto allo sperma dei droni più piccoli;

5) le infezioni virali indotte negli adulti riducevano la resilienza al calore da parte degli spermatozoi.

Nei nostri esperimenti di sopravvivenza dei droni, abbiamo testato una temperatura e un lasso di tempo (4 ore a 42 ̊C) che rientra nel range di ciò che i droni potrebbero incontrare all'interno o all'esterno dei loro alveari durante condizioni estreme, anche se mancano dati specifici sulle reazioni dei droni in campo durante le ondate di calore. I nostri test in vitro hanno utilizzato sperma di droni BC esponendoli alla stessa temperatura nello stesso lasso di tempo. Nella matrice tempo-temperature in vitro e negli esperimenti di stress da virus, tuttavia, le temperature utilizzate potrebbero non essere biologicamente rilevanti (e alcune, come il trattamento a 60 ̊C, è improbabile che si verifichino in natura).

Spermatozoi dei droni delle api da miele

Piuttosto, l'obiettivo di questi esperimenti era in parte quello di definire i confini entro i quali la vitalità dello sperma può ancora persistere e di comprendere le risposte degli spermatozoi negli scenari più estremi. Gli sforzi futuri dovrebbero concentrarsi su di una migliore definizione della gamma di possibili reazioni di droni sul campo, comprese le temperature corporee interne, e sull'utilizzo di questi dati per guidare le condizioni testate in laboratorio.

La scoperta che i droni più pesanti avevano maggiori probabilità di sopravvivere alle sfide del calore è coerente con la relazione positiva tra le dimensioni del corpo e la resilienza al calore che è stata segnalata in alcuni altri insetti, compresi i maschi di un'altra specie di ape, Xenoglossa pruinosa, mentre diversi studi precedenti non hanno evidenziato alcuna associazione tra le dimensioni corporee (o la massa) e la resilienza al calore (massimi termici critici, o CTmax) all'interno o tra altre specie di insetti. L'apparente natura specifica della specie di come le dimensioni del corpo si riferiscono al CTmax tra gli insetti suggerisce che anche altri fattori sono importanti determinanti della resilienza al calore. È possibile che il tempo di riscaldamento piuttosto che la capacità di raffreddamento possa essere più influente per la resilienza al calore durante le esposizioni a breve termine (poiché gli individui più grandi impiegano più tempo per surriscaldarsi) rispetto alle esposizioni a lungo termine, ma questo non spiega la mancanza di relazione tra CTmax e dimensioni corporeee osservate in molte specie (vedi citazioni sopra).

L'acqua è vitale per l'idratazione sia dell'alveare come superorganismo ma anche dei singoli individui, tra cui i droni

In particolare, nei nostri esperimenti abbiamo registrato la massa corporea bagnata, che è influenzata dallo stato di idratazione, mentre le dimensioni del corpo non lo sono. L'idratazione può influenzare la resilienza al calore ed è un fattore importante da tenere conto perché gli individui più idratati hanno sia una maggiore capacità termica specifica che una maggiore capacità di auto-raffreddarsi attraverso l'evaporazione. Poiché gli individui dal corpo più grande hanno un rapporto superficie-volume più piccolo, e quindi una capacità più limitata di auto-raffreddarsi, le interazioni tra stato di idratazione e dimensione corporea sarebbero illuminanti da valutare nel nostro sistema di studio, e una tale interazione potrebbe spiegare alcune delle incongruenze nelle relazioni temperatura-dimensione del corpo osservate in altre specie. Notiamo che mentre è possibile che nei nostri esperimenti un po' d'acqua sia evaporata dai droni tra il momento della morte e quando sono stati pesati, riducendo così la loro massa corporea indipendentemente dalla loro effettiva resilienza al calore, questo effetto è stato probabilmente trascurabile poiché la maggior parte delle morti dei droni si è verificata vicino al limite di esposizione di 4 ore, a quel punto l'esperimento è stato terminato e tutti i droni sono stati pesati.

Abbiamo previsto che i droni della California meridionale avrebbero avuto maggiori probabilità di sopravvivere allo stress da calore rispetto ai droni della California settentrionale, e questa previsione è stata confermata. Questo è degno di nota perché le colonie della California meridionale tendono ad avere una percentuale maggiore di ascendenza africana rispetto ai droni originari della California settentrionale (che è al di fuori della zona ibrida), e le api da miele in Africa sono probabilmente ben adattate a prosperare in condizioni calde. Ipotizziamo che, a causa del clima più caldo nel sud della California, queste colonie siano simili sotto una maggiore selezione per la resilienza al calore, oltre ad avere una storia di selezione in condizioni calde prima di arrivare negli Stati Uniti. Questo potrebbe essere ciò che ha portato le colonie della California meridionale (che, in questo esperimento, avevano origini selvatiche o si stavano riproducendo con la popolazione locale del sud per più generazioni) a produrre droni più resistenti al calore. Tuttavia, la maggiore resilienza al calore dei droni della California meridionale sembra essere il risultato sia di un modesto aumento della tolleranza al calore sia di una sopravvivenza sorprendentemente bassa dei droni nel gruppo di controllo.

Spertmatozoo che cerca di fecondare cellula

Campioni di dimensioni maggiori nel gruppo di controllo e valutazioni post-calore delle comorbidità in tutti i gruppi (come le infezioni patogene) possono aiutare a identificare le cause sottostanti di questo modello in futuro. Sfortunatamente, non abbiamo dati corrispondenti sulla vitalità dello sperma per questi gruppi che siano paragonabili ai dati sulla vitalità degli sperma presentati in tutto questo corpo di lavoro, né abbiamo ottenuto dati sulla vitalità degli sperma tra i droni di diverse origini genetiche che sono sopravvissute alle sfide sperimentali sul calore, ma questa è un'area di indagine che stiamo attivamente perseguendo. Tuttavia, abbiamo confrontato la resilienza del calore dello sperma tra i droni provenienti da fonti alternative, e i dati di vitalità degli spermatozoi dei droni con diverse origini della popolazione all'interno della Columbia Britannica hanno mostrato una notevole variazione nella loro risposta al calore, spingendoci a indagare altre potenziali variabili esplicative che possono essere alla base di tali estreme differenze. Mentre il campionamento dei droni da parte di diversi apicoltori BC può aver portato a valutazioni soggettive dell'età e possibili differenze nella tolleranza al calore, notiamo che la variazione nella risposta dello sperma al calore osservata nei dati della colonia UBC, dove l'età del drone è controllata, è simile nella diffusione a quelle provenienti da fonti altrove in BC. Eravamo

interessati a seguire questo indagando gli effetti interattivi dell'infezione virale, in particolare, a causa di tre osservazioni chiave. In primo luogo, abbiamo osservato qui che i droni con infezioni DWV-B acquisite naturalmente avevano, a sorpresa, una maggiore vitalità dello sperma rispetto ai droni senza infezione DWV-B (S2 Fig in S1 File). In secondo luogo, la nostra ricerca precedente ha identificato una relazione positiva tra almeno un HSP e la vitalità dello sperma immagazzinatozoi. Terzo, Mc Menamin et al. hanno dimostrato che lo stress da calore ha un effetto antivirale; pertanto, abbiamo ipotizzato che un potenziale meccanismo che spiega queste osservazioni collettive potrebbe risiedere nel duplice ruolo degli HSP come agenti di mitigazione dello stress sia antivirali che abiotici. Anche se ci si potrebbe aspettare che un'infezione virale comprometta la forma fisica dell'individuo, inizialmente abbiamo ragionato che forse l'elevazione degli HSP stimolati dal virus potrebbe proteggere lo sperma dal successivo stress abiotico. Tuttavia, quando abbiamo testato questa ipotesi infettando i droni adulti, quindi sottoponendo il loro sperma allo stress da calore, abbiamo scoperto il contrario: lo sperma dei droni infetti era meno resistente al calore rispetto allo sperma dei droni di controllo, suggerendo, in modo ragionevole, che c'è un compromesso tra il mantenimento dello sperma e l'immunità o forse un effetto diretto dell'infezione patogena sulla qualità riproduttiva.

Dobbiamo ancora conciliare questa osservazione con la correlazione positiva tra infezione e vitalità dello sperma che abbiamo trovato, ma è possibile che il disaccordo sia dovuto alla durata dell'infezione prima del campionamento dello sperma, alla patogenicità del virus (IAPV vs. DWV-B), alla fase della vita in cui il drone è stato infettato (le infezioni acquisite prima, durante o dopo la spermatogenesi possono produrre esiti diversi) o a una potenziale conseguenza della limitazione delle risorse cellulari nei droni che dobbiamo ancora deconvolare.

Nel complesso, questi dati supportano l'idea che l'effetto negativo del calore sulla vitalità dello sperma del drone sia esacerbato dall'infezione virale, una scoperta preoccupante, dato che i droni sono anche preferenzialmente parassitizzati da varroa destructor, che è un potente vettore virale. L'impatto negativo relativamente piccolo delle infezioni virali acquisite dagli adulti che abbiamo identificato potrebbe potenzialmente spiegare solo una piccola frazione della variazione del calore degli spermatozoi, resilienza che abbiamo trovato tra i droni originari della Columbia Britannica.

Ci sono chiaramente altri fattori influenti quando si tratta di resilienza al calore dello sperma del drone. Una spiegazione intrigante potrebbe essere il genotipo, ma poiché non abbiamo condotto test genetici, non possiamo separare le differenze ambientali o di gestione tra le operazioni da quelle potenzialmente dovute alla genetica. La ricerca sulle mosche Drosophila fruit ha dimostrato che i limiti di fertilità termica superiore maschile sono migliori predittori delle distribuzioni delle specie rispetto a CTmax, quindi questo tratto è chiaramente sotto forte pressione selettiva tra le altre specie. Mentre il limite superiore di tolleranza termica dello sperma sembra un tratto che dovrebbe essere vincolato evolutivamente all'interno di una specie, l'ampia distribuzione globale delle api da miele suggerisce che potrebbe essere più plastica nelle api da miele rispetto ad altri insetti. È anche possibile che il tratto sia protetto dalla selezione dall'ambiente della colonia in qualche modo termoregolato; uno scenario che potrebbe anche portare a grandi variazioni tra gli individi. Determinare i fattori alla base di queste differenze di fertilità delle api da miele maschi dovrebbe continuare ad essere una priorità mentre iniziamo a lottare con l'allevamento delle api da miele in regioni che storicamente non erano a rischio di calore estremo.

Published: February 7, 2025

Autori:

Alison McAfee 1,2; Bradley N. Metz 2; Patrick Connor 2; Keana Du 2; Christopher W. Allen 3; Luis A. Frausto 3,4;

Mark P. Swenson 3,4; Kylah S. Phillips 3,5; Madison Julien 3; Zoe Rempel 6; Robert W. Currie 6; Boris Baer 3;

David R. Tarpy 2; Leonard J. Foster 1

1 Department of Biochemistry and Molecular Biology, Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada; 2 Department of Applied Ecology, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, United States of America; 3 Center for Integrative Bee Research (CIBER), Department of Entomology, University of California Riverside, Riverside, California, United States of America; 4 Department of Microbiology & Plant Pathology, University of California Riverside, Riverside, California, United States of America; 5 Department of Molecular, Cell & Systems Biology, University of California Riverside, Riverside, California, United States of America; 6 Department of Entomology, University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada