Ming-Xian Yang

Bee-hawking by the wasp, Vespa velutina, on the honeybees Apis cerana and A. mellifera.

The vespine wasps, Vespa velutina, specialise in hawking honeybee foragers returning to their nests. We studied their behaviour in China using native Apis cerana and introduced A. mellifera colonies. When the wasps are hawking, A. cerana recruits threefold more guard bees to stave off predation than A. mellifera. The former also utilises wing shimmering as a visual pattern disruption mechanism, which is not shown by A. mellifera. A. cerana foragers halve the time of normal flight needed to dart into the nest entrance, while A. mellifera actually slows down in sashaying flight manoeuvres. V. velutina preferentially hawks A. mellifera foragers when both A. mellifera and A. cerana occur in the same apiary. The pace of wasp-hawking was highest in mid-summer but the frequency of hawking wasps was three times higher at A. mellifera colonies than at the A. cerana colonies. The wasps were taking A. mellifera foragers at a frequency eightfold greater than A. cerana foragers. The final hawking success rates of the wasps were about three times higher for A. mellifera foragers than for A. cerana. The relative success of native A. cerana over European A. mellifera in thwarting predation by the wasp V. velutina is interpreted as the result of co-evolution between the Asian wasp and honeybee, respectively.

Wasp Hawking Induces Endothermic Heat Production in Guard Bees

Abstract When vespine wasps, Vespa velutina Lepeletier (Hymenoptera: Vespidae), hawk (capture) bees at their nest entrances alerted and poised guards of Apis cerana cerana F. and Apis mellifera ligustica Spinola (Hymenoptera: Apidae) have average thoracic temperatures slightly above 24° C. Many additional worker bees of A. cerana, but not A. mellifera, are recruited to augment the guard bee cohort and begin wing-shimmering and body-rocking, and the average thoracic temperature rises to 29.8 ± 1.6° C. If the wasps persist hawking, about 30 guard bees of A. cerana that have raised their thoracic temperatures to 31.4 ± 0.9° C strike out at a wasp and form a ball around it. Within about three minutes the core temperature of the heat-balling A. cerana guard bees reaches about 46° C, which is above the lethal limit of the wasps, which are therefore killed. Although guard bees of A. mellifera do not exhibit the serial behavioural and physiological changes of A. cerana, they may also heat-ball hawking wasps. Here, the differences in the sequence of changes in the behaviour and temperature during “resting” and “heat-balling” by A. cerana and A. mellifera are reported.

Dancing to different tunes: heterospecific deciphering of the honeybee waggle dance

Although the structure of the dance language is very similar among species of honeybees, communication of the distance component of the message varies both intraspecifically and interspecifically. However, it is not known whether different honeybee species would attend interspecific waggle dances and, if so, whether they can decipher such dances. Using mixed-species colonies of Apis cerana and Apis mellifera, we show that, despite internal differences in the structure of the waggle dances of foragers, both species attend, and act on the information encoded in each other’s waggle dances but with limited accuracy. These observations indicate that direction and distance communication pre-date speciation in honeybees.

Thermoregulation in mixed-species colonies of honeybees (Apis cerana and Apis mellifera).

Apis cerana and Apis mellifera normally display different strategies in cooling hive temperature, raising the question whether they would coordinate their efforts in to achieve stable thermoregulation in mixed colonies. The results show that the normal temperatures in the brood area in mixed colonies are more similar to those of pure A. cerana colonies than pure A. mellifera colonies. Under heat stress, A. cerana workers are more sensitive, and initiate fanning earlier than A. mellifera workers. In mixed colonies, the former become the main force for thermoregulation. When worker bees of both species were fanning together at the entrance, their own species-specific postures were adopted, but due to a significantly smaller number of A. mellifera workers engaged in fanning, the cooling efficiency of mixed colonies were closest to that of pure A. cerana colonies.

Cooperative wasp-killing by mixed-species colonies of honeybees, Apis cerana and Apis mellifera

The cooperative defensive behaviour of mixed-species colonies of honeybees, Apis cerana and Apis mellifera, were tested against a predatory wasp, Vespa velutina. When vespine wasps hawk honeybees at their nest entrances, the difference in the numbers of bees involved in heat-balling among pure species and mixed-species colonies was not significantly different. However, in the mixed colonies, the numbers of A. cerana and A. mellifera workers involved in heat-balling were significantly different. The duration of heat-balling among these three groups was significantly different. During heat-balling, guard bees of both species in mixed colonies raised their thoracic temperatures and the core temperatures of the heat-balls were about 45°C, which is not significantly different from that of the pure species. These results suggest that the two species of honeybees can cooperate in joint heat-balling against the wasps, but A. cerana was more assertive in such defence.

Multivariate morphometric analysis of the Apis cerana of China

Multivariate statistical analyses of the morphometric characters of worker bees of Apis cerana were collected from 188 colonies at 68 localities throughout China with a sampling resolution of 1 locality/50 000 km2. Principal components plots revealed one morphocluster. By introducing local labeling it become clear that bees from different localities form overlapping regional clusters: 1. bees from Jinlin, Liaoning, Beijing and northern Shanxi provinces; 2. larger bees from southern Ganshu and northern and central Sichuan; 3. smaller bees from southern Yunnan, Guangdon, Guangxi, Hong Kong and Hainan; 4. bees from the rest of China. Hierarchical cluster analysis using data for the China regional groups 1 to 4 and adjacent countries yielded a dendrogram of two main clusters. Colonies from Japan, Korea and Russia were linked with those from China regional groups 1, 2 and 4; colonies from northern Vietnam, north eastern India, Thailand and Myanmar were linked with those from China regional group 3. A. cerana populations are continuous and panmictic, and morphometric structuring is indistinct.ZusammenfassungKürzlich wurden von Tan et al. (2001 et seq.) zwei größere Morphokluster von A. cerana in China beschrieben, die beide mit bestimmten ökologischen Zonen zusammenfielen. Diese Untersuchungen stützten sich auf eine Sammeldichte von einem Sammelort per 250 000 km2 von Nichtwüstenland. Wir haben diese Sammeldichte auf nahezu das Fünffache gesteigert (Abb. 1). Plots der Hauptkomponentenwerte der morphologischen Charaktere der Proben entlang den ersten und zweiten sowie der ersten und dritten Hauptachsen zeigten einen zusammenhängenden Morphokluster an, aus dem zunächst keine weitere Unterstruktur abgeleitet werden konnte. Erst nach einer zusätzlichen lokalen Kennzeichnung wurde deutlich, dass die Bienen der unterschiedlichen Gebiete überlappende regionale Kluster bilden. Dies waren (1) die Bienen von Jiniin, Liaoning, Beijing and den nördlichen Shanxi Provinzen; (2) die größeren Bienen des südlichen Ganshu und des nördlichen und zentralen Sichuan; (3) die kleineren Bienen des südlichen Yunnan, Guangdon, Guangxi, Hong Kong und Hainan sowie (4) die Bienen des übrigen China (Abb. 2). Die Eingabe von nur 12 Charakteren in eine schrittweise Diskriminanzanalyse war ausreichend, um die vier Gruppen zu identifizieren (Abb. 3 und 4).Die A. cerana Populationen sind zusammenhängend und panmiktisch. Die morphologische Strukturierung ist undeutlich und der Durchschnitt der mittleren Varianzkoeffizienten in den 4 Gruppen beträgt weniger als 5 %. Plots der ersten und zweiten kanonischen Werte zeigten, dass die Gruppen 1 und 3 sowie die Gruppen 2 und 3 unverbunden sind (Abb. 3, 95 % Konfidenzellipsen). Die quadrierten Mahalanobisabstände zwischen den Zentroiden der Gruppen sind in Tabelle II aufgeführt. Die Mittelwerte der Völker und die Standardabweichungen der 28 für die regionalen Gruppen gemittelten morphometrischen Charaktere ((1), (2), (5) bis (18), Flügeladerungswinkel (21) bis (31) und Hamuli) sind in Tabelle III angegeben.Eine hierarchische Klusteranalyse anhand der Mittelwerte der gleichen gemeinsamen Charaktere für die regionalen Gruppen 1 bis 4 und der angrenzenden Länder erbrachte ein Dendrogramm mit zwei Hauptklustern. Hierin waren die Völker von Japan und Korea phenetisch zunächst mit denen der chinesischen Regionalgruppen 1 und 4 verbunden, gefolgt von der Regionalgruppe 2 und letztendlich den Bienen von Russland. Die Bienen von Nordvietnam und Nordostindien wurden zuerst mit der chinesischen Regionalgruppe 3 verbunden, gefolgt von den Bienen von Thailand und Myanmar (Abb. 5).

Comb construction in mixed-species colonies of honeybees, Apis cerana and Apis mellifera

SUMMARY Comb building in mixed-species colonies of Apis cerana and Apis mellifera was studied. Two types of cell-size foundation were made from the waxes of these species and inserted into mixed colonies headed either by an A. cerana or an A. mellifera queen. The colonies did not discriminate between the waxes but the A. cerana cell-size foundation was modified during comb building by the workers of both species. In pure A. cerana colonies workers did not accept any foundation but secreted wax and built on foundation in mixed colonies. Comb building is performed by small groups of workers through a mechanism of self-organisation. The two species cooperate in comb building and construct nearly normal combs but they contain many irregular cells. In pure A. mellifera colonies, the A. cerana cell size was modified and the queens were reluctant to lay eggs on such combs. In pure A. cerana colonies, the A. mellifera cell size was built without any modification but these cells were used either for drone brood rearing or for food storing. The principal elements of comb-building behaviour are common to both species, which indicates that they evolved prior to and were conserved after speciation.

Asian hive bees, Apis cerana, modulate dance communication in response to nectar toxicity and demand

Some nectars, such of that of the thunder god vine, Tripterygium hypoglaucum, contain alkaloids that are mildly toxic to honeybees, Apis spp. Given a choice, foragers prefer nontoxic honey to that of T. hypoglaucum, but only if there are no alternative nectar sources. Here we show that foragers of the Asian hive bee collecting T. hypoglaucum honey modulate their recruitment dances depending on the availability of alternatives. When alternative nectar sources were available, dancers decreased the frequency of waggle dances and increased the frequency of tremble dances. Furthermore, the waggle dances were less precise than usual. These changes are likely to reduce recruitment. By contrast, when there were no alternative nectar sources available, foragers collecting T. hypoglaucum honey performed near-normal dances. Because dance behaviour is dependent on the alternative food sources available, changes in the bees’ behaviour is probably not due to the nectar’s toxicity per se. We conclude that modulation of in-hive communication serves to protect the colony from death caused by the collection of high quantities of toxic food while preventing starvation when no other food is available.

Hetero-specific queen retinue behavior of worker bees in mixed-species colonies of Apis cerana and Apis mellifera

The retinue behavior of worker bees of Apis cerana cerana and Apis mellifera ligustica in two types of mixed-species colonies were studied to determine whether observed behaviors are pre- or post-speciation developments. In A. cerana queen-led mixed colonies, almost equal numbers of A. cerana workers (53.4±7.4) and A. mellifera workers (51.2±8.1) attended the A. cerana queen; while in A. mellifera queen-led mixed colonies, the A. mellifera queen attracted significantly fewer (47.8 ±5.9) A. cerana workers than A. mellifera workers (51.9 ± 4.6). Thus about 100 workers in total were attracted to each queen. In pure A. cerana and A. mellifera colonies, the queen attracted 105.8 ± 9.1 and 107.8 ± 11.2 workers, respectively, there being no significant difference between them. Only the pheromones 9-ODA, 9-HDA and 10-HDA of the queens were significantly different and the workers did not show avoidance behavior to either heterospecific queen. Both species of workers were attracted by the queens and engaged in retinue behavior, suggesting that the retinue response was not related to a specific queen pheromone or colony environment. This non-specific queen retinue behavior in the mixed colonies indicates that the queen pheromones can be transmitted among the workers from the two species without any obstacles. We conclude that retinue behavior itself as well as the pheromones of the queens that induce this behavior are both primitive, conserved traits that preceded speciation in apine bees.ZusammenfassungMittels reziproker Versuchsansätze untersuchten wir, ob Hofstaatverhalten in einem heterospezifischen Kontext ausgelöst werden kann, d.h., ob Apis cerana Königinnen attraktiv sein können für Apis mellifera Arbeiterinnen und umgekehrt, ob dies auch bei A. mellifera Königinnen und A. cerana Arbeiterinnen der Fall ist. Diese Versuche führten wir in zwei Mischvölkern bestehend aus A. cerana und A. mellifera Arbeiterinnen durch. In Mischvölkern mit einer A. cerana Königin fanden wir etwa gleiche Proportionen von A. cerana (53,4 ± 7,4) und A. mellifera Arbeiterinnen (51,2 ± 8,1) im Hofstaat. In Mischvölkern mit einer A. mellifera Königin hingegen waren dort signifikant weniger A. cerana (47,8 ± 5,9) als A. mellifera Arbeiterinnen (51,9 ± 4,6) verrtreten (Tab. I). Die Arbeiterinnen beider Arten zeigten ein völlig normales Hofstaatverhalten gegenüber den heterospezifischen Königinnen und wir fanden keine offensichtliche Aggression oder ein Vermeidungsverhalten, obwohl sich die Königinnenpheromone der beiden Arten in einigen Punkten unterscheiden. Als Erklärung für die proportionalen Unterschiede in der Teilnahme am Hofstaatverhalten nehmen wir leichte Abweichungen in den Pheromonen der beiden Arten an. Wir untersuchten deshalb die relative Anteile der Komponenten des Königinnenpheromons in den beiden Typen der Mischvölker (Tab. II). Die Ergebnisse der Multivarianzanalyse der proportionalen Anteile der Mandibeldrüsen-komponenten zeigten einen signifikanten Unterschied zwischen A. mellifera und A. cerana (Wilk’s lambda: F = 741,6, df = 4,1, P = 0,027, Tab. II). Während für zwei Komponenten, HOB und 10-HDAA, kein Unterschied zu sehen war, waren diese für 9-ODA, 9-HDA und 10-HDA signifikant (9-ODA: t = 6,5, df = 4, P = 0,003; 9-HDA: t = 7,4, df = 4, P = 0,002; 10-HDA: t = 3,5, df = 4, P = 0,024). Der Quotient der Pheromonkomponenten zueinander [9-ODA/(9-ODA+10-HDA+10-HDAA)] war signifikant höher für A. cerana als für A. mellifera Königinnen (t = 3,0, df = 4, P = 0,041, Tab. II). Für beide Arten waren die Königinnen jedoch attraktiv, die Arbeiterinnen bildeten eine Hofstaat, beleckten die Königin und zeigten normales Putz- und Fütterungsverhalten.Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Hofstaatbildung nicht auf ein spezifisches Königinnen-pheromon oder die Volkssituation zurückzuführen ist, und diese Interpretation stimmt mit bereits publizierten Ergebnissen überein (Pankiw et al., 1994; Hoover et al., 2005). Das nicht artspezifische Hofstaatverhalten in gemischten Kolonien deutet darauf hin, dass Königinnenpheromon von Arbeiterinnen über die Artgrenzen hinweg ohne Hindernisse und unabhängig von möglichen “suppressiven Faktoren” (Fletcher and Ross, 1985) oder “ehrlichen Signalen” (Peeters et al., 1999; Strauss et al., 2008) weitergegeben werden kann. Wir schliessen daraus dass das Hofstaatverhalten selbst, ebenso wie die Könginnenpheromone, die dieses Verhalten induzieren, anzestrale, konservierte Merkmale sind, die vor der Artenaufspaltung der apinen Bienen entstanden sind.

Intra- and interspecific brood recognition in pure and mixed-species honeybee colonies, Apis cerana and A. mellifera

We studied the effects of mixed honeybee colonies of Apis mellifera and Apis cerana on the intraspecific and interspecific recognition of female brood stages in the honeybees A. cerana and A. mellifera by transferring brood combs between queenright colonies. In the intraspecific tests, significantly more larvae were removed in A. cerana than in A. mellifera, whilst significantly fewer eggs and pupae were removed in A. cerana than in A. mellifera. In the interspecific tests, A. cerana colonies removed significantly more larvae and pupae of A. mellifera than the same brood stages of A. cerana were removed by A. mellifera. We show there are highly significant differences in both intraspecific and interspecific brood recognition between A. cerana and A. mellifera and that brood recognition operates with decreasing intensity with increasing developmental age within species. This suggests that worker policing in egg removal is a first line of defense against heterospecific social parasites.ZusammenfassungInnerartliche und zwischenartliche Bruterkennung ist bei im gleichen Verbreitungsgebiet lebenden sozialen Insekten für die Sicherheit der Vermehrung und oft auch für die Integrität der Kolonien von grundlegender Bedeutung (Breed, 1998; Moritz and Neumann, 2004). Von besonderer Wichtigkeit ist sie im Kontext des Sozialparasitismus (Nanork et al., 2007b). Wir untersuchten die Auswirkungen gemischter Honigbienenvölker von Apis mellifera und Apis cerana auf die innerartliche und zwischenartliche Erkennung weiblicher Brutstadien der beiden Honigbienenarten mittels des Tauschs von Brutwaben zwischen weiselrichtigen Völkern.In den innerartlichen Tests wurden bei A. cerana signifikant mehr Larven entfernt als bei A. mellifera, während dagegen bei A. cerana signifikant weniger Eier und Puppen entfernt wurden als bei A. mellifera. Bei den zwischenartlichen Tests entfernten A. cerana signifikant mehr Larven und Puppen von A. mellifera als die gleichen Brutstadien von A. cerana durch A. mellifera entfernt wurden. Unsere Daten bestätigen damit frühere Untersuchungen mit zwischenartlicher Brutübertragung, dass bei A. cerana und A. mellifera die Brutunterscheidung bezüglich Eiern und jungen Larven gut ausgeprägt ist (Oschmann, 1965; Dhaliwal und Atwal, 1970; Adlakha und Sharma, 1971; Oku und Ono, 1990; Potichot et al., 1993). Wie zu erwarten, verhielten sich die gemischtartigen Völker in ihrem Brutentfernungsverhalten zwischen dem innerartlichen und zwischenartlichen Austausch der reinen Völker. Sie entfernten signifikant weniger heterospezifische Brut im Vergleich zu reinen Völkern, aber mehr als bei innerspezifischem Austausch. Unter der Annahme von ähnlichem Sammelverhalten von A. cerana und A. mellifera (Devkota und Thapa, 2005) legt dies nahe, dass die Zusammensetzung der Arbeitsbienen einen Einfluss auf die Bruterkennung bei Honigbienen hat und die genetischen Auslöser der Bruterkennung denen der Erkennung von Nestgenossen bei Arbeiterinnen ähnlich sind (Breed, 1998; Moritz and Neumann, 2004).Die Erkennung von Nestgenossen bei Arbeiterinnen hängt zu wechselnden Anteilen von der Außenumgebung und der Genetik ab (Breed, 1998), allerdings zeigen unsere Daten, dass diese sich nicht unbedingt in gleicher Weise auf die Eier und immature Stadien auswirken. Da bereits zuvor vermutete Pheromone zur Erkennung von Brut und Eiern (Potichot et al., 1993) kürzlich bestätigt wurden (Ayasse and Paxton, 2002; Sasaki et al., 2004), nehmen wir an, dass spezifische Pheromone der Eier und Larven eine grundlegende Rolle bei den sowohl bei gleichartigen als auch bei zwischenartigem Austausch beobachteten hohen Entfernungsraten der fremden Eiere und Larven spielen. Unter diesen experimentellen Bedingungen schien die Bruterkennung mit steigendem Entwicklungsalter in der Intensität abzunehmen, aber in jedem Alter durch die genetische Distanz verstärkt zu werden.