Kürbisbienen gedeihen als Reaktion auf die landwirtschaftliche Intensivierung

Während die Bestäuberpopulationen vieler Arten weltweit stark zurückgegangen sind, sprengt eine Bienenart die Landkarte mit ihrer schnellen Populationszunahme. Der Schlüssel zum Erfolg dieses Insekts? Seine Leidenschaft für Kürbisse, Zucchini und andere Kürbisse und die massive Zunahme des Anbaus dieser Pflanzen in ganz Nordamerika in den letzten 1.000 Jahren.

Eine neue Studie unter der Leitung von Penn State ergab, dass sich die Kürbisbiene (Eucera pruinosa) als Reaktion auf die Intensivierung der Landwirtschaft entwickelt hat – nämlich Kürbisse der Gattung Curcurbita. Veröffentlicht im Proceedings of the National Academy of Sciencesist die Forschung die erste, die die Rolle der Landwirtschaft als evolutionäre Kraft aufzeigt, die auf einen Bestäuber von Wildinsekten wirkt und Auswirkungen auf die Ernährungssicherheit haben kann.

„Wenn wir an Insekten denken, die von der weit verbreiteten Landwirtschaft profitieren und sich daran anpassen, denken wir eher an Schädlinge wie bestimmte Arten von Motten, Fliegen und Käfern“, sagte Margarita López-Uribe, Lorenzo L. Langstroth Early Career Professor und außerordentliche Professorin für Entomologie . „Aber die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Intensivierung auf die Entwicklung nützlicher Bestäuber sind kaum bekannt. Wir fanden heraus, dass die Landwirtschaft eine Zunahme der Populationsgröße dieser Kürbisbiene ermöglichte, und dies könnte auch für andere Insektenbestäuber der Fall sein.“

López-Uribe merkte an, dass die Studie die erste sei, die Anpassungsprozesse eines Insektenbestäubers als Reaktion auf menschliche landwirtschaftliche Praktiken identifiziert. Diese Studie zeigt, dass die menschliche Landwirtschaft in Nordamerika einen tiefgreifenden Einfluss auf die Evolutionsgeschichte eines Insekts hatte, das ein wesentlicher Bestäuber von Kürbispflanzen ist, sagte sie.

„Die Bestäubung ist ein so wichtiger Prozess, der einen großen Teil der von uns verzehrten Lebensmittel beeinflusst. Zu verstehen, wie Menschen diesen Prozess und Bestäuber – durch Landwirtschaft, Urbanisierung und auf andere Weise – beeinflusst haben und weiterhin beeinflussen, ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Ernährungssicherheit“, sagte er Sam Scheiner, Programmdirektor der US National Science Foundation. „Diese Forschung zeigt, wie die Domestizierung von Pflanzen wichtige indirekte Auswirkungen auf die Organismen haben kann, die diese Pflanzen bestäuben.“

Historisch gesehen war die Hauptpollenquelle der Kürbisbiene (Eucera pruinosa) der wilde Büffelkürbis (Curcurbita foetidissima), ein Baseball-großer Kürbis, der in den Wüsten Mexikos und im Südwesten der Vereinigten Staaten wuchs. Als eine der „Drei Schwestern“, zu denen Mais und Bohnen gehören, war Kürbis eine wichtige Kulturpflanze der indigenen Völker Amerikas, und vor etwa 5.000 Jahren begannen die indigenen Völker der östlichen Wälder damit, einen Verwandten von C. foetidissima zu domestizieren, genannt C. pepo. Der weit verbreitete Anbau der daraus resultierenden Nutzpflanzen – darunter Kürbisse, Kürbisse und Kürbisse – begann später, vor etwa 3.000 Jahren, und wurde vor etwa 1.000 Jahren mit der Einführung von Mais in die landwirtschaftlichen Systeme Nordamerikas intensiviert.

„Durch das Anpflanzen von Kürbissen in ganz Nordamerika haben die Menschen einen Lebensraum für die Kürbisbiene geschaffen, und das ließ ihre Population explodieren“, sagte López-Uribe. „Heute kommt die Kürbisbiene in den Vereinigten Staaten und im Südosten Kanadas vor – weit außerhalb der Reichweite ihrer ursprünglichen Nahrungsquelle.“

Um die Evolution der E. pruinosa-Biene als Reaktion auf die Intensivierung der Curcurbita-Landwirtschaft zu untersuchen, sequenzierte das Team das Genom der Biene, untersuchte ihre genetische Struktur – oder die Menge und Verteilung der genetischen Vielfalt innerhalb und zwischen den verschiedenen Populationen der Biene – und suchte danach Unterschriften der Anpassung. Eine Abnahme der genetischen Vielfalt, erklärte López-Uribe, kann auf „selektive Sweeps“ hinweisen – oder auf den Prozess, durch den neue nützliche Mutationen an Häufigkeit zunehmen und fixiert werden.

Als nächstes entwickelte das Team einen neuartigen Algorithmus, um die Migration der Biene und die effektive Populationsgröße – oder Brutpopulationsgröße – über Populationen hinweg abzuschätzen.

Die Forscher fanden heraus, dass der Übergang der Biene von wilden Wirtspflanzen in Wüsten zu gemäßigten landwirtschaftlichen Lebensräumen mit selektiven Sweeps verbunden war, was zu einer erheblichen Verringerung der genetischen Vielfalt in einigen Teilen des Genoms führte.

„Fast 20 % des Genoms der Biene scheint mit diesen Sweeps in Verbindung zu stehen“, sagte López-Uribe.

Besonders verbunden mit diesen selektiven Sweeps waren Veränderungen in Genen, die mit der Chemosensorik verbunden sind – oder der Übersetzung chemischer Signale aus der Umwelt in neurologische Signale, die von einem Organismus interpretiert werden können. Im Fall der Kürbisbiene bezieht sich die Chemosensation auf ihre Fähigkeit, von Blüten produzierte Geruchsverbindungen zu interpretieren.

„Domestizierte Curcurbita-Pflanzen produzieren florale Mischungen, die einfacher sind als die der wilden Curcurbita-Pflanze“, sagte López-Uribe. „Es ist wahrscheinlich, dass sich E. pruinosa an eine neue sensorische Umgebung in landwirtschaftlichen Lebensräumen angepasst hat, was es ihm ermöglichte, sein Verbreitungsgebiet zu erweitern und seine Populationsgröße erheblich zu erhöhen.“