Yves Le Conte

Interactions between Nosema microspores and a neonicotinoid weaken honeybees (Apis mellifera)

Global pollinators, like honeybees, are declining in abundance and diversity, which can adversely affect natural ecosystems and agriculture. Therefore, we tested the current hypotheses describing honeybee losses as a multifactorial syndrome, by investigating integrative effects of an infectious organism and an insecticide on honeybee health. We demonstrated that the interaction between the microsporidia Nosema and a neonicotinoid (imidacloprid) significantly weakened honeybees. In the short term, the combination of both agents caused the highest individual mortality rates and energetic stress. By quantifying the strength of immunity at both the individual and social levels, we showed that neither the haemocyte number nor the phenoloxidase activity of individuals was affected by the different treatments. However, the activity of glucose oxidase, enabling bees to sterilize colony and brood food, was significantly decreased only by the combination of both factors compared with control, Nosema or imidacloprid groups, suggesting a synergistic interaction and in the long term a higher susceptibility of the colony to pathogens. This provides the first evidences that interaction between an infectious organism and a chemical can also threaten pollinators, interactions that are widely used to eliminate insect pests in integrative pest management.

Diet effects on honeybee immunocompetence

The maintenance of the immune system can be costly, and a lack of dietary protein can increase the susceptibility of organisms to disease. However, few studies have investigated the relationship between protein nutrition and immunity in insects. Here, we tested in honeybees (Apis mellifera) whether dietary protein quantity (monofloral pollen) and diet diversity (polyfloral pollen) can shape baseline immunocompetence (IC) by measuring parameters of individual immunity (haemocyte concentration, fat body content and phenoloxidase activity) and glucose oxidase (GOX) activity, which enables bees to sterilize colony and brood food, as a parameter of social immunity. Protein feeding modified both individual and social IC but increases in dietary protein quantity did not enhance IC. However, diet diversity increased IC levels. In particular, polyfloral diets induced higher GOX activity compared with monofloral diets, including protein-richer diets. These results suggest a link between protein nutrition and immunity in honeybees and underscore the critical role of resource availability on pollinator health.

Varroa mites and honey bee health: can Varroa explain part of the colony losses?

Since 2006, disastrous colony losses have been reported in Europe and North America. The causes of the losses were not readily apparent and have been attributed to overwintering mortalities and to a new phenomenon called Colony Collapse Disorder. Most scientists agree that there is no single explanation for the extensive colony losses but that interactions between different stresses are involved. As the presence of Varroa in each colony places an important pressure on bee health, we here address the question of how Varroa contributes to the recent surge in honey bee colony losses.ZusammenfassungSeit 2006 werden in Europa und Nordamerika katastrophale Völkerverluste gemeldet. Die Ursachen dieser Verluste waren nicht leicht zu erklären, sie wurden als überwinterungsbedingte Mortalitäten bewertet und unter dem Begriff Colony Collapse Disorder (CCD) zusammengefasst. Die meisten Wisenschaftler stimmen dahingehend überein, dass diesen Völkerverlusten keine Einzelursache zugrunde liegt, sondern, dass vermutlich verschiedene Stressfaktoren zusammenwirken. Da der Varroa-Befall einen wichtigen Druck auf die Gesundheit der Bienen in den Völkern darstellt, gingen wir der Frage nach, inwiefern Varroa an den seit kurzem beobachteten Völkerverlusten beteiligt sein kann.Verschiedene physikalische und physiologische Faktoren mit negativer Wirkung der Varroa-Milbe auf die Gesundheit der einzelnen Biene und den Volkszusammenhang sind bereits bekannt. So führt das wiederholte Saugen von Hämolymphe zu Verletzungen der Bienen, zu erniedrigten Werten im Proteingehalt, sowie dem Lebend- und Trockengewicht und zur Behinderungen in der Organentwicklung. Die parasitische Milbe und die von ihr übertragenen Viren führen zu morphologischen Fehlentwicklungen, reduzierter Widerstandskraft und Lebenserwartung und zu negativen Effekten auf die Flugdauer und Heimfindungsfähigkeit der Sammlerinnen. Die Milbe schwächt das Immunsystem der Bienen, indem die Expression von Genen der Immunantwort reduziert wird. Zusammen mit erhöhten DWV-Viren-Titern reduziert sie damit die Lebensfähigkeit der Arbeiterinnen und die Koloniefitness. Die Rolle der Varroa-Milbe als Vektor in der horizontalen und vertikalen Übertragung von Viren ist hingehend bekannt, und Ko-Infektionen von V. destructor mit verschiedenen Viren wurden bereits als wichtige Faktoren im Varroa-bedingten Zusammenbruch von Völkern beschrieben. V. destructor muss deshalb weiterhin als eine ernsthafte Bedrohung der Honibiene gelten, und weiterhin werden Honigbienenpopulationen weltweit durch diese parasitische Milbe dezimiert.Die Hypothese, dass CCD durch eindringende Varroa-Milben und ihre immunsuppressiven Fähigkeiten hervorgerufen wird, ist damit nicht auszuschliessen und wird durch die Befunde von vanEngelsdorp et al. (2009) gestärkt. Die Varroa-Milbe ist seit Jahren in den meisten Ländern vertreten, aus denen auch Völkerverluste gemeldet werden. Obwohl die Milbenpopulationen kontrolliert werden können, kann trotzdem spekulativ postuliert werden, dass die Verluste zumindest teilweise durch einen Varroa-Befall der Völker bedingt sein können. Welche Veränderungen in der Varroa-Biologie können also die jetzigen Verluste im Vergleich zu denen vor 20 Jahren erklären? Wir diskutieren potentielle Ursachen, einschliesslich Veränderungen in der Biologie und Populationsdynamik von Varroa und ihrem Wirt, der Kontrolle von Varroa durch Akarizide, indirekte Effekten der Varroa-Behandlungen, sowie synergistische Effekte multipler Faktoren.

Pheromone Communication in the Honeybee (Apis mellifera L.)

Recent studies have demonstrated a remarkable and unexpected complexity in social insect pheromone communication, particularly for honeybees (Apis mellifera L.). The intricate interactions characteristic of social insects demand a complex language, based on specialized chemical signals that provide a syntax that is deeper in complexity and richer in nuance than previously imagined. Here, we discuss this rapidly evolving field for honeybees, the only social insect for which any primer pheromones have been identified. Novel research has demonstrated the importance of complexity, synergy, context, and dose, mediated through spatial and temporal pheromone distribution, and has revealed an unprecedented wealth of identified semiochemicals and functions. These new results demand fresh terminology, and we propose adding “colony pheromone” and “passenger pheromone” to the current terms sociochemical, releaser, and primer pheromone to better encompass our growing understanding of chemical communication in social insects.

Influence of pollen nutrition on honey bee health: do pollen quality and diversity matter?

Honey bee colonies are highly dependent upon the availability of floral resources from which they get the nutrients (notably pollen) necessary to their development and survival. However, foraging areas are currently affected by the intensification of agriculture and landscape alteration. Bees are therefore confronted to disparities in time and space of floral resource abundance, type and diversity, which might provide inadequate nutrition and endanger colonies. The beneficial influence of pollen availability on bee health is well-established but whether quality and diversity of pollen diets can modify bee health remains largely unknown. We therefore tested the influence of pollen diet quality (different monofloral pollens) and diversity (polyfloral pollen diet) on the physiology of young nurse bees, which have a distinct nutritional physiology (e.g. hypopharyngeal gland development and vitellogenin level), and on the tolerance to the microsporidian parasite Nosema ceranae by measuring bee survival and the activity of different enzymes potentially involved in bee health and defense response (glutathione-S-transferase (detoxification), phenoloxidase (immunity) and alkaline phosphatase (metabolism)). We found that both nurse bee physiology and the tolerance to the parasite were affected by pollen quality. Pollen diet diversity had no effect on the nurse bee physiology and the survival of healthy bees. However, when parasitized, bees fed with the polyfloral blend lived longer than bees fed with monofloral pollens, excepted for the protein-richest monofloral pollen. Furthermore, the survival was positively correlated to alkaline phosphatase activity in healthy bees and to phenoloxydase activities in infected bees. Our results support the idea that both the quality and diversity (in a specific context) of pollen can shape bee physiology and might help to better understand the influence of agriculture and land-use intensification on bee nutrition and health.

Gut pathology and responses to the microsporidium Nosema ceranae in the honey bee Apis mellifera.

The microsporidium Nosema ceranae is a newly prevalent parasite of the European honey bee (Apis mellifera). Although this parasite is presently spreading across the world into its novel host, the mechanisms by it which affects the bees and how bees respond are not well understood. We therefore performed an extensive characterization of the parasite effects at the molecular level by using genetic and biochemical tools. The transcriptome modifications at the midgut level were characterized seven days post-infection with tiling microarrays. Then we tested the bee midgut response to infection by measuring activity of antioxidant and detoxification enzymes (superoxide dismutases, glutathione peroxidases, glutathione reductase, and glutathione-S-transferase). At the gene-expression level, the bee midgut responded to N. ceranae infection by an increase in oxidative stress concurrent with the generation of antioxidant enzymes, defense and protective response specifically observed in the gut of mammals and insects. However, at the enzymatic level, the protective response was not confirmed, with only glutathione-S-transferase exhibiting a higher activity in infected bees. The oxidative stress was associated with a higher transcription of sugar transporter in the gut. Finally, a dramatic effect of the microsporidia infection was the inhibition of genes involved in the homeostasis and renewal of intestinal tissues (Wnt signaling pathway), a phenomenon that was confirmed at the histological level. This tissue degeneration and prevention of gut epithelium renewal may explain early bee death. In conclusion, our integrated approach not only gives new insights into the pathological effects of N. ceranae and the bee gut response, but also demonstrate that the honey bee gut is an interesting model system for studying host defense responses.

Honey bee colonies that have survived Varroa destructor

We document the ability of a population of honey bee colonies to survive in France without Varroa suppression measures. We compared the mortality of collected Varroa surviving bee (VSB) stock with that of miticide-treated Varroa-susceptible colonies. Varroa infestation did not induce mortality in the VSB colonies. Some of the original colonies survived more than 11 years without treatment and the average survival of the experimental colonies was 6.54 ± 0.25 years. Swarming was variable (41.50 ± 9.94%) depending on the year. Honey production was significantly higher (1.7 times) in treated than in VSB colonies. For the first time since Varroa invaded France, our results provide evidence that untreated local honey bee colonies can survive the mite, which may be the basis for integrated Varroa management.ZusammenfassungDie Überlebensdauer von mit Varroa destructor befallenen Apis mellifera Völkern ohne Behandlung wurde bisher auf ein oder zwei Jahre geschätzt. 1994 wurden an zwei verschiedenen Standorten 12 Honigbienenvölker gefunden, die ohne Behandlung gegen Varroa überlebt hatten. Wir stellten zusätzliche potentiell resistente Bienenvölker von Imkern zusammen und verstärkten diese Gruppe damit. In der vorliegenden Arbeit berichten wir über die Fähigkeit dieser Bienen in Frankreich, ohne jede Form der Varroabehandlung zu überleben. Wir verglichen die Sterblichkeit unserer Versuchsgruppe mit Kontrollvölkern, die mit Akariziden behandelt wurden. Außer monatlichen Beobachtungen, dem Zufügen von Magazinen und der Ernte des Honigs, wurden die Völker nicht bewirtschaftet, es fand auch keine Schwarmkontrolle statt. Die Honigernte wurde für jedes Volk bestimmt und mit der der Kontrollvölker verglichen.Die Sterblichkeit der Völker mit varroaüberlebenden Bienen (VSB) schwankte in der Zeit zwischen 1999 und 2005 zwischen 9,7 % und 16,8 % pro Jahr. Fünf der 12 Originalvölker überlebten mehr als 11 Jahre ohne Behandlung, die Überlebensdauer in dieser Gruppe betrug im Schnitt 9,8 ± 0,7 (Mittelwert und Standardabweichung) je nach Jahr, und wir fanden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Sterblichkeit der VSB (12,46 ± 0,92) und der behandelten Kontrollvölker (9,57 ± 1,59). Die Schwarmtätigkeit war in den verschiedenen Jahren sehr variabel (Mittelwert und Standardabweichung: 41,50 ± 9,94 %) und konnte das unterschiedliche Überleben der Völker nicht erklären. Die Honigproduktion der gegen Varroa behandelten Kontrollgruppe war gegenüber den VSB Völkern um einen Faktor von 1,7 signifikant erhöht.Unsere Ergebnisse zeigen klar, dass einige Honigbienenvölker auch ohne Schutzmaßnahmen gegen Varroa wesentlich längere Zeiten überleben können als dies zuvor angenommen worden war. Der Befall mit Varroa verursachte während der 9jährigen Untersuchungszeit bei den VSB Völkern keinen signifikanten Tod. Wir diskutieren verschiedene Hypothesen, die das Phänomen erklären könnten. Es ist naheliegend anzunehmen, dass die Resistenz der Bienenvölker, aber auch die Virulenz von Varroa und das Vorkommen von Virusinfektionen unter beständigem Selektionsdruck auf das Überleben von beiden, dem Wirt und dem Parasiten, stehen. Das erste Mal seit der Einwanderung von Varroa nach Frankreich zeigen unsere Ergebnisse die Fähigkeit unbehandelter lokaler Honigbienen den Befall mit den Milben zu überleben. Diese Bienen könnten im Rahmen des integrierten Bienenmanagements in Frankreich von hohem Nutzen werden.

Breeding for resistance to Varroa destructor in Europe

The rich variety of native honeybee subspecies and ecotypes in Europe offers a good genetic resource for selection towards Varroa resistance. There are some examples of mite resistance that have developed as a consequence of natural selection in wild and managed European populations. However, most colonies are influenced by selective breeding and are intensively managed, including the regular use of miticides. We describe all characters used in European breeding programs to test for Varroa resistance. Some of them (e.g., mite population growth, hygienic behavior) have been implemented in large-scale selection programs and significant selection effects have been achieved. Survival tests of pre-selected breeder colonies and drone selection under infestation pressure are new attempts to strengthen effects of natural selection within selective breeding programs. Some perspectives for future breeding activities are discussed.ZusammenfassungSeit Einzug der Varroa Milbe in Europa sind in einigen Regionen Völker aufgetreten, die langfristig ohne Behandlungsmaßnahmen überleben. Eine weitergehende Untersuchung von 82 derartiger Völker (VSB) in Frankreich zeigte eine mittlere Überlebensdauer von 7,8 Jahren. Der Varroa-Befallsanstieg während der Brutsaison verlief signifikant schwächer als bei normal anfälligen Kontrollvölkern (Abb. 1). Dabei spielen offenbar ein intensives Putzabwehr- und Bruthygieneverhalten eine Rolle, möglicherweise aber auch häufige Schwarmereignisse, spezifische Umweltbedingungen, Veränderungen der Milbenpopulation und die Virusprävalenz.Durch einen völligen Verzicht auf Bekämpfungsmaßnahmen ist es innerhalb weniger Generationen sowohl in einem kommerziellen Zuchtbetrieb in Frankreich als auch in einer isolierten Versuchspopulation in Schweden zur Auslese resistenter Bienen gekommen. Als mögliche Ursachen der abgeschwächten Befallsentwicklung wurden u.a. eine geringere Brutdynamik und ein geringer Brutbefall bezogen auf die Gesamtmilbenzahl beobachtet.Aufgrund umfangreicher Untersuchungen liegen heute standardisierte Methoden zur Beurteilung der Befallsentwicklung und der Bruthygiene vor, die dank guter Heritabilitäten und effizienter Zuchtwertschätzverfahren in vielen europäischen Ländern Eingang in die Zuchtpraxis gefunden haben. Zuchtprogramme zur Selektion auf Putzabwehrverhalten, kürzere Verdecklungsdauer oder beeinträchtigte Varroa-Reproduktion scheiterten hingegen an ineffizienten Messverfahren, geringer genetischer Variabilität oder unzureichend geklärter biologischer Zusammenhänge.Beispielhaft wird die Organisation eines umfangreichen Zuchtprogramms zur Steigerung der Resistenz leistungsfähiger Zuchtlinien vorgestellt. Die Kooperation zahlreicher Zuchtbetriebe, einheitliche Prüfstandards und eine gemeinsame Zuchtwertschätzung ermöglichen eine Auslese in großer Population. Potenzielle Zuchtvölker werden auf ihre Überwinterungsfähigkeit ohne vorangehende Behandlung gegen Varroa geprüft und durch den Betrieb von Belegstellen mit unbehandelten Drohnenvölkern werden Effekte unterschiedlicher Varroa-Anfälligkeit auf den Paarungserfolg von Drohnen (Abb. 2) in die Selektion einbezogen.Aufgrund schlechterer Honigleistung und Sanftmut konnten US-Linien Russischer Bienen (RHB) trotz relativ hoher Widerstandsfähigkeit in Europa keine Bedeutung erlangen. Die meisten europäischen Zuchtprogramme zielen auf einer stetige Verbesserung einheimischer Populationen. Inwieweit es auf diesem Weg möglich ist, hochgradig resistente und zugleich leistungsfähige Zuchtlinien zu entwickeln, bleibt offen. Immerhin zeigte sich in einem mehrjährigen Vergleichsversuch eine höhere Überlebensfähigkeit der bereits auf Resistenz gegen Varroa ausgelesenen Linien.Wichtige Zukunftsperspektiven ergeben sich aus der Weiterentwicklung der Selektionsmethoden, der Berücksichtigung spezifischer Umweltanpassungen und verbesserter Haltungstechniken.

The invasive Korea and Japan types of Varroa destructor, ectoparasitic mites of the Western honeybee (Apis mellifera), are two partly isolated clones.

Varroa destructor, now a major pest of the Western honeybee, Apis mellifera, switched from its original host, the Eastern honeybee, A. cerana, ca. 50 years ago. So far, only two out of several known mitochondrial haplotypes of V. destructor have been found to be capable of reproducing on A. mellifera (Korea and Japan). These haplotypes are associated in almost complete cytonuclear disequilibrium to diagnostic alleles at 11 microsatellite loci. By contrast, microsatellite polymorphism within each type is virtually absent, because of a severe bottleneck at the time of host change. Accordingly, 12 mitochondrial sequences of 5185 nucleotides displayed 0.40% of nucleotide divergence between haplotypes and no intra haplotype variation. Hence, each type has a quasi–clonal structure. The nascent intratype variability is subsequent to the clone formation 50 years ago: in both types the variant alleles differ from the most common by one (in 10 cases), two (five cases) or three (one case) repeated motifs. In addition to individuals of the two ‘pure’ types, five F1 hybrids and 19 recombinant individuals (Japan alleles introgressed into the Korea genetic background) were detected. The existence of F1 and recombinant individuals in admixed populations requires that double infestations of honeybee cells occur in a high proportion but the persistence of pure types suggests a post–zygotic isolation between the two clones.

Nutrigenomics in honey bees: digital gene expression analysis of pollen's nutritive effects on healthy and varroa-parasitized bees

BackgroundMalnutrition is a major factor affecting animal health, resistance to disease and survival. In honey bees (Apis mellifera), pollen, which is the main dietary source of proteins, amino acids and lipids, is essential to adult bee physiological development while reducing their susceptibility to parasites and pathogens. However, the molecular mechanisms underlying pollens nutritive impact on honey bee health remained to be determined. For that purpose, we investigated the influence of pollen nutrients on the transcriptome of worker bees parasitized by the mite Varroa destructor, known for suppressing immunity and decreasing lifespan. The 4 experimental groups (control bees without a pollen diet, control bees fed with pollen, varroa-parasitized bees without a pollen diet and varroa-parasitized bees fed with pollen) were analyzed by performing a digital gene expression (DGE) analysis on bee abdomens.ResultsAround 36, 000 unique tags were generated per DGE-tag library, which matched about 8, 000 genes (60% of the genes in the honey bee genome). Comparing the transcriptome of bees fed with pollen and sugar and bees restricted to a sugar diet, we found that pollen activates nutrient-sensing and metabolic pathways. In addition, those nutrients had a positive influence on genes affecting longevity and the production of some antimicrobial peptides. However, varroa parasitism caused the development of viral populations and a decrease in metabolism, specifically by inhibiting protein metabolism essential to bee health. This harmful effect was not reversed by pollen intake.ConclusionsThe DGE-tag profiling methods used in this study proved to be a powerful means for analyzing transcriptome variation related to nutrient intake in honey bees. Ultimately, with such an approach, applying genomics tools to nutrition research, nutrigenomics promises to offer a better understanding of how nutrition influences body homeostasis and may help reduce the susceptibility of bees to (less virulent) pathogens.