Neue Hinweise darauf, wie Kohlendioxid die Fortpflanzung von Hummeln beeinflusst

Während ein Imker, der Kohlendioxidwolken in einen Bienenstock bläst, um die Insekten zu beruhigen, vielen ein vertrautes Bild ist, ist weniger über seine anderen Auswirkungen auf Bienen bekannt. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab Hinweise darauf, wie sich die chemische Verbindung auf die Physiologie der Bienen auswirkt, einschließlich der Fortpflanzung.

Das Forschungsteam unter der Leitung eines Entomologen am College of Agricultural Sciences der Penn State machte sich daran zu entwirren, wie Kohlendioxid die Diapause zu umgehen scheint, eine Phase ähnlich dem Winterschlaf, in der Bienen über den Winter schlafen, um den Fortpflanzungsprozess bei Hummelköniginnen auszulösen.

Die Forscher fanden heraus, dass Kohlendioxid zunächst eine Stoffwechselveränderung auslöste, die dann sekundäre Effekte auf die Fortpflanzung auslöste. Die Ergebnisse, kürzlich veröffentlicht in Insektenbiochemie und Molekularbiologiestanden im Widerspruch zu früheren Hypothesen.

„Früher wurde angenommen, dass CO2 die Fortpflanzung direkt beeinflusst, aber diese Studie ist einer der ersten Beweise dafür, dass dies wahrscheinlich nicht der Fall ist“, sagte Etya Amsalem, außerordentliche Professorin für Entomologie. „Wir haben festgestellt, dass CO2 die Art und Weise verändert, wie Makronährstoffe im Körper gespeichert und neu verteilt werden. Die Tatsache, dass der Fortpflanzungsprozess dann in Gang gesetzt wird, ist nur ein Artefakt dieser Prozesse.“

Den Forschern zufolge wird Kohlendioxid häufig von Imkern und Forschern verwendet, um Bienen und andere Insekten zu beruhigen. Kohlendioxid kann jedoch nicht nur eine beruhigende Wirkung hervorrufen, sondern auch eine Reihe anderer physiologischer Reaktionen auslösen.

Während zum Beispiel Hummelköniginnen normalerweise in den Wintermonaten in die Diapause gehen, bevor sie im Frühjahr eine neue Kolonie gründen, können Bienenzüchter und Forscher Kohlendioxid verwenden, um den Fortpflanzungsprozess der Königinnen früher auszulösen, als dies von selbst geschehen würde.

Amsalem sagte, es gebe mehrere Gründe, warum sie und die anderen Forscher die Studie durchführen wollten. Erstens, weil Kohlendioxid so weit verbreitet ist, sagte sie, es sei wichtig, seine Wirkungsweise bei Insekten und insbesondere bei Hummeln zu verstehen, wo es ein nützliches Werkzeug für kommerzielle Imkereien sei, um das ganze Jahr über Kolonien für die Bestäubung zu produzieren. Aber zweitens ging es darum, besser zu verstehen, wie die Verwendung von Kohlendioxid auch die Forschungsergebnisse beeinflussen könnte.

„Wir wissen, dass Kohlendioxid viele Auswirkungen haben kann, auch auf das Verhalten“, sagte Amsalem. „Wenn Sie also eine Studie über die Auswirkungen einer bestimmten Manipulation auf das Verhalten von Bienen durchführen und CO2 als Anästhetikum verwenden, was untersuchen Sie dann wirklich – die Wirkung Ihrer Manipulation oder die Wirkung des CO2?“

Für die Studie führten die Forscher zwei Versuchsphasen durch. In der ersten wollten die Forscher ein besseres grundlegendes Verständnis der physiologischen Auswirkungen von Kohlendioxid auf die Hummelköniginnen erlangen.

Die Forscher teilten die Bienen in zwei Gruppen ein: eine, die unbehandelt blieb, und eine andere, die mit Kohlendioxid behandelt wurde. Das Team untersuchte die Bienen dann zu drei Zeitpunkten: direkt nach der Behandlung und dann drei und zehn Tage später. Zu jedem Zeitpunkt untersuchten die Forscher die Eierstöcke und maßen Makronährstoffkonzentrationen in mehreren Geweben, die Hinweise auf Veränderungen der Stoffwechselfunktion im Laufe der Zeit gaben.

„Die mit CO2 behandelten Königinnen zeigten eine stärkere Aktivierung der Eierstöcke als die unbehandelten“, sagte Amsalem. „Behandelte Königinnen erlebten auch eine Verschiebung in der Makronährstoffallokation, mit weniger Lipiden in dem Organ, das als ‚Fettkörper‘ bekannt ist, und mehr Glykogen [a stored form of glucose] und Protein in ihren Eierstöcken.“

Mit diesen Basisinformationen wollten die Forscher dann auseinanderreißen, wie Kohlendioxid sowohl den Stoffwechsel als auch die Fortpflanzung beeinflusst. Sie verwendeten Kohlendioxid, um zwei weitere Gruppen von Königinnen zu behandeln: eine Gruppe, deren Eierstöcke entfernt wurden, und eine andere, die mit einem juvenilen Hormonantagonisten behandelt wurde.

Die Forscher erklärten, dass dieser Antagonist bei Hummeln den Spiegel des Juvenilhormons reduziert, das die Fortpflanzung reguliert und den Stoffwechsel beschleunigt. Die Wissenschaftler vermuteten, dass dieses Hormon wichtig dafür ist, wie Kohlendioxid die Physiologie von Insekten beeinflussen könnte.

Diesmal stellten sie fest, dass die Bienen, denen die Eierstöcke entfernt wurden, eine ähnliche Veränderung der Makronährstoffe erfuhren wie Bienen in der Kontrollgruppe, die noch ihre Eierstöcke hatten. Die Forscher sagten, dies deutet darauf hin, dass Kohlendioxid zuerst den Stoffwechsel beeinflusst, da Bienen ohne ihre Fortpflanzungsorgane immer noch denselben Effekt erfahren.

Außerdem zeigten Bienen, die mit dem Juvenilhormon-Hemmer behandelt wurden, diese metabolischen Effekte nicht, was den Forschern zufolge die Rolle dieses Hormons bei der Vermittlung der Wirkung von Kohlendioxid bestätigt.

Amsalem sagte, die Ergebnisse seien wichtig, um nicht nur zu verstehen, wie Kohlendioxid Hummeln, sondern alle Insekten beeinflusst.

„CO2 hat viele verschiedene Auswirkungen auf Insekten, daher versuchen wir als Wissenschaftler, einen Effekt zu finden, den sie alle gemeinsam haben, damit wir den genauen Prozess oder Mechanismus finden können, der diese Effekte erzeugt“, sagte sie. „Zum Beispiel wirkt es sich positiv auf die Fortpflanzung bei Bienen aus, könnte es aber bei anderen Insekten hemmen. Es beeinflusst die Fortpflanzung nicht konsequent. Aber wir denken, dass es sich konsequent auf den Stoffwechsel auswirkt.“

Katherine Barie, ehemalige Doktorandin am College of Agricultural Sciences, und Eran Levin, Forscher an der Universität Tel Aviv, waren ebenfalls an dieser Arbeit beteiligt.