Grooming contro Varroa: evoluzione nelle mandibole delle api selvatiche ... ligustica +49%

Le colonie di api da miele hanno registrato un costante declino annuale del 30-40%, in particolare all'interno dell'industria delle api da miele gestita (Kulhanek et al. 2017). In particolare, l’acaro ectoparassita Varroa destructor è emerso come una minaccia deleteria per le api da miele europee (EHB) sin dalla sua introduzione negli Stati Uniti (Akimov et al. 2004; Nazzi e Le Conte 2016). L'infestazione di acari Varroa indebolisce, deforma e diminuisce la durata della vita della colonia di api da miele infestata perché gli acari si nutrono del corpo grasso delle api da miele, trasmettono agenti patogeni virali e causano difetti morfologici e comportamentali nello sviluppo delle api (Ramsey et al. 2019; Wilfert et al. 2016). L'ape asiatica (Apis cerana) è la specie ospite originale degli acari Varroa (Oldroyd 1999). Da anni di adattamento, A. cerana ha sviluppato la resistenza di Varroa attraverso molteplici tratti, come il grooming, la rimozione della covata infestata, altri comportamenti igienici e impedendo la riproduzione degli acari (Grindrod e Martin 2023; Morfin et al. 2023). Inoltre, le api da miele selvatiche di A. mellifera hanno sviluppato una resistenza agli acari.

varroa destructor

Uno dei numerosi tratti comportamentali per la resistenza agli acari è il grooming, comportamento con cui attraverso lo spulciamento e morsi le api rimuovono gli acari dai loro corpi (Arechavaleta-Velasco et al. 2012; Büchler et al. 1992; Diao et al. 2018; Moritz et al. 2007; Peng et al. 1987; Ruttner e Hanel 1992; Seeley 2007; Morfin et al. 2020; Smith et al. 2021). La popolazione di api da miele selvatiche nello Stato del Kentucky è stata rilevata come Apis mellifera mellifera (Carpenter e Harpur 2021). Le api da miele africanizzate (Apis mellifera scutellata) possono rimuovere gli acari in modo più efficiente, ad un tasso del 38,5% (Moretto et al. 1991), mentre le api da miele africanizzate delicate portoricane (gAHB, A. m. scutellata-hybrid) mostrano resistenza agli acari attraverso la microevoluzione sull'isola (Avalos et al. 2017).

La tomografia computerizzata a raggi X (µCT o microCT) è una tecnologia con scansione tridimensionale a risoluzione spaziale soddisfacente, senza complicate e lunghe procedure di preparazione del campione (Palci et al. 2016). In passato, questa tecnica è stata utilizzata per studiare l'anatomia e l'evoluzione di api, formiche e altri insetti (Coty et al. 2014; Larabee et al. 2017; Li et al. 2011; Smith et al. 2021). Tuttavia, abbiamo mirato a utilizzare microCT per scansionare le strutture delle mandibole delle api e confrontare la loro morfometria tridimensionale. I modi tradizionali per tenere traccia del comportamento di grooming o rimozione degli acari sono stati quelli di osservare manualmente le diapositive al microscopio (Grindrod e Martin 2023). Ora è possibile sviluppare nuovi strumenti e applicazioni mobili per monitorare la salute delle colonie e la popolazione di acari parassiti. Diverse tecnologie esistenti basate sull'apprendimento automatico possono essere utilizzate per la classificazione delle immagini. Negli usi ispirati ai processi biologici, una rete di neuroni convoluzionali (CNN) è una delle strutture di apprendimento profondo più popolari perché richiede poca conoscenza preliminare o pre-elaborazione rispetto ad altri algoritmi di classificazione delle immagini (Jogin et al. 2018). Inoltre, una rete neurale pre-addestrata può essere adattata per identificare nuovi oggetti attraverso l'apprendimento del trasferimento utilizzando un database relativamente piccolo (Shin et al. 2016), che è particolarmente adatto per lo sviluppo di una nuova applicazione mobile.

In questo studio, abbiamo ipotizzato che le colonie selvatiche dell'Ohio (OH Apis mellifera ligustica) e del Kentucky (KY A. m. mellifera) avrebbero livelli più elevati di comportamento di acari rispetto alle colonie di api commerciali. Abbiamo poi confrontato la morfologia delle mascelle tra diverse popolazioni di A. m. ligustica, A. m. scutellata-hybrid e colonie commerciali. Inoltre, abbiamo sviluppato una nuova applicazione mobile per identificare gli acari danneggiati tramite una serie di CNN all'avanguardia, progettate per apprendere in modo efficiente e adattivo le gerarchie spaziali delle funzionalità dalle immagini di input sui dispositivi mobili

RISULTATI

Comportamento di grooming nelle api selvatiche di A. mellifera

Quando è stato confrontato il numero totale di acari delle tre popolazioni di EHB (colonie commerciali, colonie selvatiche OH e colonie selvatiche KY), non è stata rilevata alcuna differenza significativa dall'analisi di regressione, che ha indicato una popolazione di acari simile distribuita tra tutte le colonie di api. Per confrontare il comportamento di grooming delle tre popolazioni (colonie commerciali, colonie selvatiche OH e colonie selvatiche KY), abbiamo usato il rapporto tra acari danneggiati e acari totali in ogni colonia. In totale, c'erano 2.518 acari provenienti da 58 colonie commerciali e 4.981 acari da 97 colonie selvatiche. L'analisi di regressione ha evidenziato che le api selvatiche KY A. m. mellifera hanno mostrato un comportamento di morso degli acari del 34% superiore rispetto alle api commerciali. Le api selvatiche OH A. m. ligustica hanno mostrato un tasso superiore del 49% di acari danneggiati rispetto alle colonie commerciali. Nelle api selvatiche OH e KY è stato riscontrato un comportamento di grooming. Le diverse popolazioni di ape sembravano essere un predittore significativo del comportamento di acari.

Per estrapolare i risultati raccolti in un anno abbiamo applicato un'analisi di regressione da modelli di adattamento utilizzando il metodo standard dei minimi quadrati. Il riferimento del modello di costruzione è stato l'anno in cui sono stati raccolti i campioni. I numeri delle colonie di api erano N = 20, 28, 57 e 50 per gli anni 2020, 2021, 2022 e 2023. L'anno sembrava essere un predittore insignificante del comportamento di grooming.

immagine microCT della superficie interna della mandibola dell'ape scansionata

Confronto delle mandibole tra Apis mellifera spp. e Apis cerana

Per le osservazioni delle mandibole abbiamo confrontato nella morfologia delle mandibole delle api operaie di quattro diverse popolazioni di api (A. cerana, gAHB A. m. scutellata hybrid, OH A. m. ligustica e colonie commerciali di pacchetti A. m. ligustica) quattro parametri (bordo lungo, bordo corto, altezza e la campata dell'area della colonna vertebrale. Per i bordi lunghi e corti, le api commerciali hanno mostrato una misurazione significativamente maggiore rispetto agli altri tre gruppi. Per il confronto delle altezze, A. cerana ha mostrato l'altezza massima mentre minore è stato per l'OH A. m. ligustica. Non abbiamo trovato alcuna differenza nell’intervallo dell'area della colonna vertebrale tra tutti i gruppi.

CONCLUSIONI

Questo studio ha dimostrato che il comportamento di grooming degli acari nelle colonie selvatiche OH (A. m. ligustica) e nelle colonie selvatiche KY (A. m. mellifera) era più alto che nelle colonie commerciali. Inoltre, abbiamo fornito prove della possibilità di identificazione morfometrica delle differenze nelle mascelle delle api tra diverse popolazioni di api da miele asiatiche A. cerana, api selvatiche OH A. m. ligustica, il gAHB A. m. scutellata-hybrid di Porto Rico e colonie commerciali A. m. ligustica. In aggiunta, abbiamo sviluppato una nuova applicazione mobile utilizzando l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale per identificare gli acari danneggiati tramite la classificazione delle immagini.

Abbiamo rilevato una differenza non significativa nel numero totale di acari tra colonie commerciali e selvatiche, che indicava una distribuzione simile di acari tra tutte le colonie testate. Sulla base di molti studi, il grooming è uno dei tratti che contribuiscono a ridurre l'infestazione da acari delle api adulte. Tuttavia, c'è qualche dibattito sull’efficacia ed ereditarietà del tratto (Büchler 2010). Pubblicazioni più recenti hanno indicato che le colonie con un alto comportamento di grooming sono sopravvissute con un livello simile di infestazioni da acari rispetto alle colonie di controllo (Nganso et al. 2017; Smith et al. 2021). Da notare che ci sono anche altri fattori che influenzano l'infestazione da acari, tra cui i ceppi di acari Varroa, altri agenti patogeni trasmessi dagli acari Varroa e altre relazioni tra parassita e ospite (Mondet et al., 2020; Le Conte et al. 2020; Moro et al. 2021; Zheng et al. 2023)

Al fine di studiare la resistenza agli acari, è necessario un lavoro futuro per indagare la genetica della popolazione per verificare se ci sono diversi ceppi genetici di acari Varroa nelle nostre colonie mentre continua la selezione del carattere del grooming essendo uno dei tratti della resistenza agli acari. Rapporti precedenti hanno mostrato che le api operaie possono amputare le zampe degli acari Varroa negli acari appena danneggiati (Ruttner e Hanel 1992). Un documento precedente (Ruttner e Hanel 1992) ha descritto che gli acari danneggiati raccolti vivi o morti hanno mostrato tessuto bianco visibile all'apertura della gamba tagliata.

Abbiamo rilevato un tasso significativamente più alto di comportamento di morso degli acari nelle colonie selvatiche OH e KY rispetto alle colonie commerciali contando gli acari danneggiati. In particolare, abbiamo fornito nuove prove del comportamento di grooming o del comportamento di morso degli acari come tratto di resistenza agli acari nelle colonie selvatiche, coerente con i rapporti precedenti (Russo et al. 2020; Smith et al. 2021). I rapporti tra acari danneggiati e acari totali nelle colonie selvatiche KY e OH erano del 34% e del 49% in più rispetto alle colonie commerciali. Il comportamento di grooming con la rimozione degli acari e il morso degli acari parassiti è stato osservato dal 1929 (Haydak 1929; Frisch 1967, Smith et al. 2021).

I nostri dati comportamentali forniscono nuove prove che il tratto del comportamento di grooming può essere selezionato per l'allevamento di linee di api resistenti agli acari, insieme ad altri caratteri di allevamento (Danka et al. 2011; Rinderer et al. 2010; Spivak 1996). van Alphen e Fernhout (2020) hanno anche riportato un alto comportamento di grooming nelle colonie selvatiche in Europa e Sud America.

Le mandibole servono a varie funzioni essenziali tra le api e operaie. Sono utilizzati nel comportamento difensivo contro i parassiti (Papachristoforou et al. 2012; Ruttner e Hanel 1992). Attraverso l'identificazione morfometrica, abbiamo scoperto differenze morfologiche in tre principali parametri delle mandibole delle ape (bordo lungo, bordo corto e altezza) tra A. cerana e A. mellifera, anche in due sottospecie (A. m. ligustica e A. m. scutellata). Ricerche precedenti sulle foto SEM delle gambe degli acari amputate indicavano che si pensava che la sezione liscia delle gambe degli acari fosse tagliata da 2 bordi (lunghi e corti) delle mandibole, come 2 lame di un paio di forbici (Ruttner e Hanel 1992). Sulla base dei nostri dati sui bordi lunghi e corti delle mandibole delle api selvatiche e le mascelle delle api gAHB tendevano ad essere simili a quelle di A. cerana e significativamente più piccole di quelle delle api commerciali, il che indica un possibile cambiamento macroevolutivo in A. mellifera quando sviluppano resistenza agli acari. Le dimensioni più piccole dei bordi nelle api ad alto morso possono agire come lame più piccole delle forbici per una maggiore flessibilità ed efficienza del comportamento di grooming o di mordere.

Dal 1987, le colonie selvatiche hanno probabilmente sviluppato una maggiore resistenza agli acari aumentando la loro efficienza di rimozione degli acari attraverso la selezione naturale (Hunt et al. 2016; Smith et al. 2021). Il nostro risultato è anche coerente con il rapporto precedente indicando che le alte colonie che mordono gli acari dell'Indiana hanno anche mostrato cambiamenti significativi nei bordi lunghi delle mandibole (Smith et al. 2021). In generale, la dimensione corporea di A. cerana è leggermente inferiore a quella di A. mellifera (Ruttner e Hanel 1992; Yue et al. 2018). La nostra analisi morfologica ha indicato che i bordi taglienti (sia lunghi che corti) delle mandibole nelle api selvatiche erano più piccoli di quelli delle api commerciali, ma erano ancora maggiori o simili a quelli di A. cerana. Ricerche precedenti hanno anche dimostrato che una riduzione delle dimensioni del corpo nelle api operaie può essere influenzata da ondate di calore e cambiamenti di temperatura (Poot-Báez et al. 2020).

È necessario un lavoro futuro per confrontare le dimensioni delle mascelle nelle colonie di api selvatiche e commerciali. Un'ipotesi che abbiamo fatto per la misurazione del comportamento di morso degli acari era che il rapporto tra gli acari danneggiati e gli acari totali fosse la misura del comportamento di grooming e che questo comportamento fosse causato dalle api operaie nella colonia. Questa è un'ipotesi ragionevole, dato che sulla base di ricerche precedenti, gli acari danneggiati sono un fenotipo esteso del comportamento di grooming (Büchler et al. 1992; Ruttner e Hanel 1992).

Le osservazioni dirette del comportamento di grooming con gli acari vivi nelle colonie sono difficili da ottenere (Peng et al 1987). I sistemi automatizzati sono stati utilizzati per le analisi del comportamento di aggressività degli insetti (Li-Byar-lay et al. 2014; Lim et al. 2014), ma nessun strumento commerciale è attualmente disponibile per le osservazioni del comportamento di grooming delle api (Giuffre et al. 2017) Sono necessarie ricerche future per raccogliere dati da osservazioni dirette del comportamento di grooming dalle colonie in campo. È stato segnalato un nuovo sistema che utilizza una telecamera e l'apprendimento automatico per rilevare gli acari Varroa nelle colonie di ape (Bilik et al. 2024). Nel presente studio, riportiamo una nuova applicazione dell'apprendimento automatico e della classificazione delle immagini utilizzando un algoritmo di rilevamento CNN per quantificare i danni agli acari. Questo strumento può ridurre il tempo necessario per rilevare gli acari in campo quando si valutano le colonie di api. L'implementazione futura dell'applicazione può essere incorporata nel cloud.

In sintesi, i nostri risultati indicano che le colonie selvatiche (A. m. ligustica e A. m. mellifera) hanno mostrato un comportamento di grooming più elevato rispetto alle colonie commerciali. L'identificazione morfometrica ha mostrato differenze significative nel bordo lungo, nel bordo corto e nell'altezza delle mandibole delle api operaie di gAHB A. m. scutellata- ibride e OH api selvatiche A. m. ligustica. Inoltre, abbiamo sviluppato un'applicazione mobile con l'algoritmo di rilevamento CNN proposto per quantificare i danni causati dagli acari. Questo studio fa luce sul comportamento di grooming nelle colonie selvatiche e fornisce linee guida per la ricerca futura e gli sforzi di allevamento.

Apidologie (2025) © The Author(s), 2024 Hongmei Li‑Byarlay (Department of Agricultural and Life Sciences, Central State University, Wilberforce, OH 45384, USA) Kaila Young (Department of Agricultural and Life Sciences, Central State University, Wilberforce, OH 45384, USA) Xaryn Cleare (Department of Agricultural and Life Sciences, Central State University, Wilberforce, OH 45384, USA) Deng Cao (Department of Computer Science and Mathematics, Central State University, Wilberforce, OH 45384, USA) Shudong Luo (Institute for Apicultural Research, Chinese Academy of Agricultural Research, Beijing 102600, China)

articolo completo: https://doi.org/10.1007/s13592-024-01126-z